论文总字数：23922字

摘 要

氢能是一种环境友好型的新型能源。同时，氢是一种理想的储能媒介，转化并储存其他可再生能源。镁基储氢材料在储能密度、成本、原材料资源和环保等方面都具有明显优势，成为固态储氢材料领域研究的热门对象之一。但是镁基材料的吸/放氢反应在热力学和动力学上都存在很大的障碍。本课题拟制备不同晶型的金属镍作为催化剂，利用机械球磨法合成MgH₂-不同晶型镍的复合体系，采用X射线衍射和电子显微分析等材料微观分析方法以及差示量热扫描仪分析和压力-组分-温度分析仪等储氢材料性能测试手段，研究了单一面心立方相（FCC）Ni和共存的面心立方相、六方密堆相（HCP）Ni对MgH₂储氢性能的影响。

本文综述了镁基储氢材料的发展近况，结合所在课题组对催化改性的研究成果，提出研究不同晶型的镍对镁基储氢材料的催化性能的差异性。研究表明：通过调控水热合成反应的合成温度，可以制备具有不同晶型的Ni催化剂，150 °C制备的Ni为FCC相（Ni 150），平均颗粒尺寸为40 nm，而200 °C制备的Ni为FCC和HCP共存相（Ni 200），平均颗粒尺寸为80 nm。通过机械球磨将不同的催化剂添加到MgH₂中，两个复合体系的脱氢性能较未添加的MgH₂样品有显著改善。MgH₂-Ni 150样品的变温脱氢性能均优于MgH₂-Ni 200，而MgH₂-Ni 200的等温吸氢性能略优于MgH₂-Ni 150样品。通过Kissinger拟合表明，MgH₂-Ni 150的脱氢表观活化能为86.5 ±1.8 kJ/mol，低于MgH₂-Ni200的127.8 ±4.5 kJ/mol。

关键词：镁基储氢材料 镍 催化剂 面心立方结构 密排六方结构

ABSTRACT

Hydrogen energy is an environment-friendly new energy, which is an ideal storage medium for converting and storing energy from solar, geothermal, wind and other renewable sources. Mg-based hydrides have obvious advantages in energy storage density, the cost, the raw material resources, environmental protection and so on. It becomes a vital role in the solid-state hydrogen storage area. However, Mg-based hydride is rarely used currently because of the high desorption temperature and sluggish hydrogen desorption kinetics. This subject intends to prepare different crystal types of Ni, which is doped into MgH₂ by mechanical milling. The microstructures were analyzed by X-Ray Diffraction, scanning electron microscope and transmission electron microscope. And the hydrogen storage properties were obtained by differential scanning calorimetry and PCT. This work explores the interrelationship between the hydriding/dehydriding properties and the microstructures of the hydriding combustion synthesis plus mechanical milling products, doped different crystal of types of Ni.

Based on the review of the latest progress of MgH₂-catalyst system, and the research results of our team, we come up with the subject that studying the differences of catalytic ability between face-centered cubic (FCC) Ni and hexagonal close packed (HCP) Ni. We have successfully different crystal types of Ni where different reaction temperatures via hydrothermal reaction. The average particle sizes of FCC Ni is 40 nm obtained at 150 °C (Ni 150), and that of the composite of FCC and HCP Ni is 80 nm (Ni 200). The hydrogen absorption/desorption performances of the MgH₂-Ni systems are both better than MgH₂. The isothermal dehydrogenation performance of MgH₂-Ni 150 is better than MgH₂-Ni 200, while the isothermal hydrogen absorption performance of MgH₂-Ni 200 is slightly better than MgH₂-Ni 150. Kissinger fitting result shows that the dehydrogenation apparent activation energy for MgH₂-Ni 150 is 86.5 ±1.8 kJ/mol, which is lower from that of MgH₂-Ni 200 (127.8 ±4.5 kJ/mol).

Key Words: MgH₂; nickel; catalyst; face centered cubic structure; hexagonal close-packed structure

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2 贮氢途径 2

1.3 镁基储氢材料研究现状及分类 4

1.3.1 Mg-H系 4

1.3.2 Mg-TM-H系 6

1.4 镁基储氢材料发展现状 6

1.5 本课题的问题提出和研究内容 8

第二章 实验方法 9

2.1 实验原料与试剂 9

2.2 实验合成设备 9

2.2.1 氢化燃烧合成设备 9

2.2.2 机械球磨设备 10

2.3 实验制备工艺 11

2.4 样品的微观分析和表征 12

2.4.1 X射线衍射分析 12

2.4.2 电镜分析 12

2.5 性能分析和表征 12

2.5.1 P-C-T测试 12

2.5.2 差示扫描量热仪（DSC） 14

第三章 不同晶型Ni对MgH₂储氢性能影响 16

3.1 催化剂相和复合体系微观结构分析 16

3.2 不同晶型Ni对MgH₂储氢性能的影响 19

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致谢 28

第一章 文献综述

1.1引言

回顾人类社会发展史，从最开始将煤料等作为当时社会的新能源的第一次工业革命，打开科学技术和经济产业的迅速发展和改革创新；到第二次工业革命，将石油和电力作为当时社会的新能源，翻开大规模机械化的新篇章，成为当时社会经济和科技发展的强有力支撑和驱动力；到第二次世界大战至后来的二十世纪八十年代，人类掌握了应用原子能等新能源的使用方法，在科学技术的发展上有了质的发展，人类生活发生了根本的改变；到现在第四次产业革命的涌动下，人类文明迅猛发展。在人类文明发展史上四个里程碑式的节点上，都离不开“能源”二字。

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