輕金屬氫化物在制備存儲清潔燃料氫及甲烷中的應(yīng)用研究

【摘要】：目前,由于化石燃料的消耗和全球環(huán)境的日益惡化,人們開始將更多的注意力投入在清潔能源上,其中氫被認(rèn)為是未來最理想的化石燃料替代能源之一。而基于H存儲的輕金屬材料存儲方法被視為一個有效和方便的存儲路徑,因為它們擁有高質(zhì)量和高體積密度的氫元素含量,同時是一個相對安全的固態(tài)存儲運輸方法。自從陳萍等人在2002年首次提出Li_3N-H_2的儲氫體系后,該體系在世界范圍內(nèi)受到了高度的關(guān)注。此后,LiNH_2-LiH體系作為一個經(jīng)典的儲氫體系被廣泛研究。然而,它過高放氫溫度導(dǎo)致其仍舊難以進行實際應(yīng)用。因此,需要研究探索高效的催化劑用來改善其儲氫性能和降低其反應(yīng)溫度。受到輕金屬氫化物常被用作還原劑與其他材料相結(jié)合組成高能量密度儲氫體系,以及近期的研究表明輕金屬氫化物可以與氣體小分子化合物進行有效的反應(yīng),比如與NH3在機械球磨條件下反應(yīng)可以產(chǎn)生含有H_2的燃料的啟發(fā)。我們又設(shè)計出了利用輕金屬氫化物與CO_2作用制備存儲碳?xì)淙剂系姆磻?yīng)思路。首先,我們發(fā)現(xiàn)在LiNH_2-LiH體系中摻雜RbF對其放氫溫度的降低有著非常顯著的改善效果。通過摻雜5 mol%的RbF,我們在升溫速率為5 ℃/min的放氫動力學(xué)實驗中獲得了最低的放氫峰值溫度(211℃),與原始的LiNH_2-LiH體系相比降低了約69℃。而且也同時獲得了最低的放氫起始溫度(120 ℃)。通過提升添加RbF的量,放氫峰值溫度和放氫起始溫度可以進一步降低。此外,LiNH_2-LiH體系的吸放氫循環(huán)性能通過添加RbF也得了到改善。反應(yīng)活化能的降低是LiNH_2-LiH-0.05RbF樣品氫脫附溫度降低的重要原因。通過詳細(xì)的結(jié)構(gòu)表征可知,RbF與LiH在加熱過程中發(fā)生反應(yīng)生成的RbH顯著的改善了LiNH_2-LiH體系的放氫性能。其次,我們首次在室溫機械球磨條件下通過輕金屬氫化物與二氧化碳的氣固反應(yīng)成功獲得不含COx副產(chǎn)物的氫氣和甲烷燃料。甲烷在混合氣體中的摩爾分?jǐn)?shù)和二氧化碳甲烷化的產(chǎn)率取決于輕金屬氫化物的種類,機械球磨的強度和時間,以及CO_2的氣氛壓力。通過對機械球磨反應(yīng)的機理分析可知,無定形碳作為中間產(chǎn)物在CO_2轉(zhuǎn)化為CH4的過程中扮演著一個非常重要的角色。本研究開創(chuàng)了一個新的、簡單的、非常方便的方法即在溫和條件下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可用的燃料。繼續(xù)探索高效的催化劑用來加快反應(yīng)速率,提高甲烷的產(chǎn)率將是接下來研究工作的重點。最后,本文系統(tǒng)的探索研究了 MgH_2-CO_2和CaH_2-CO_2兩體系加熱的甲烷化反應(yīng),成功的將二氧化碳轉(zhuǎn)化為綠色能源,獲得清潔的氫氣與甲烷可燃性氣體。探索了其甲烷化效果隨反應(yīng)溫度、時間、CO_2壓力的變化,得到最佳的反應(yīng)條件為0.25 MPa二氧化碳壓力下加熱到450°C恒溫48 h,此條件下MgH_2-CO_2體系的甲烷化產(chǎn)率達到68%,CaH_2-CO_2體系的甲烷化產(chǎn)率則高達88%。利用堿土金屬氫化物(MgH_2/CaH_2)可以非常高效的氫化還原二氧化碳制備氫氣和甲烷混合氣,此混合氣相對于單一甲烷燃料有著更好的燃燒性能,且堿土金屬氫化物(MgH_2/CaH_2)是比較廉價的原材料。因此,利用MgH_2-CO_2和CaH_2-CO_2體系制備氫氣和甲烷混合燃料是非常有前景且安全方便的高能量密度固態(tài)存儲甲烷的方法路徑。 【學(xué)位授予單位】：揚州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ116.2;TQ221.11

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