鎂基儲氫合金吸放氫熱力學和動力學研究.pdf

1、鎂基合金是最有可能實用化的儲氫材料之一，但同時它也存在動力學性能差、放氫溫度高等缺點。針對這些缺點，國內外進行了大量的實驗和理論研究，如元素取代、材料納米化/復合化、添加催化劑、熱處理等，不同程度地改善了材料的吸放氫熱力學、動力學、電化學性能和循環(huán)壽命。但到目前為止，有關儲氫金屬與氫原子之間的相互作用以及具體的吸放氫的熱力學和動力學過程（基于微觀視角）仍非常不清楚。因此急需要解決儲氫合金吸放氫反應的機制問題，以及在此機制上建立理論模型。

2、
　　 本論文從鎂基儲氫材料微觀結構出發(fā)，主要研究了H2分子在鎂基金屬、氫化物和氧化物表面解離吸附的完整過程和H原子在上述體系表面的最優(yōu)吸附位置、電荷轉移、體內擴散情況等過程，并采用機械合金實驗和Chou動力學模型來驗證計算結果的可靠性；隨后從統(tǒng)計力學角度出發(fā)推導出壓力-組分-溫度熱力學模型；最后，在Chou模型基礎上，進一步考慮了混合控速機理，推導出了混合控速動力學模型。主要得到如下創(chuàng)新性結論：
　　 (1)本文采用密

3、度泛函理論和Nudged E1astic Band算法，對潔凈及摻雜Fe3O4和La催化劑的Mg/MgH2表面的吸放氫過程進行了考察。結果顯示：
　　 ●吸氫時，對于潔凈Mg/MgH2表面，氫的化學吸附環(huán)節(jié)是控速步驟；添加催化劑Fe3O4和La后，F(xiàn)e的摻雜對H2的解離影響最大，其次是La摻雜和空位，但Fe、La和空位的引入均對H的擴散起反作用，最終導致控速環(huán)節(jié)變?yōu)閿U散。
　　 ●放氫時，對于潔凈Mg/MgH2表面，表面

4、的解氫反應為控速步驟；摻雜催化劑后，F(xiàn)e、La分別對近鄰和次緊鄰Mg周圍的H的脫附的催化作用較為明顯，而Mg空位對解氫起反作用，同時Fe、La摻雜和Mg空位模型對H的擴散均表現(xiàn)出較好的催化作用，最終此過程控速環(huán)節(jié)沒有出現(xiàn)變化。
　　 ●根據(jù)上述微觀計算構型條件，采用機械合金法制備了MgH2、MgH2+1.9mol％Fe3O4和MgH2+1.9mol％La三個體系的鎂基儲氫合金，并采用PCT設備臺考察了體系的熱力學和動力學性能，再

5、利用修正的Chou模型對動力學數(shù)據(jù)進行了擬合，將獲得的活化能與微觀計算數(shù)據(jù)做了定性的對接。
　　 (2)當表面存在鈍化層MgO時，H2和H在MgO表面的解離勢壘和擴散勢壘明顯變大，并通過Arrhenius公式結合他人實驗數(shù)據(jù)對本文中H的擴散系數(shù)進行了驗證。
　　 (3)利用統(tǒng)計熱力學中的Bragg-Williams點陣模型，得到儲氫合金體系的PCT熱力學表達式：
　　 1n(PH2)=(?)[(?)+zωρ]+2

6、/α1n((?))－(?)
　　 并采用新模型對潔凈及摻雜催化劑的MgH2體系、Mg2Ni體系和La2Mg17體系進行了定量分析和計算，得到了不同體系的焓變、熵變與濃度的變化關系。
　　 (4)以Chou模型為基礎，推導出表征吸氫反應不同混合控速環(huán)節(jié)的動力學新模型，并求解出其解析解。它們將反應時間t表達為一個關于反應分數(shù)ξ，溫度T以及顆粒大小R的函數(shù)。表達式為：
　　 1/3（(?)+(?)－(?)〕ξ+(?)[