A combinatorial characterization scheme for high-throughput investigations of hydrogen storage materials

Abstract

In order to increase measurement throughput, a characterization scheme has been developed that accurately measures the hydrogen storage properties of materials in quantities ranging from 10 ng to 1 g. Initial identification of promising materials is realized by rapidly screening thin-film composition spread and thickness wedge samples using normalized IR emissivity imaging. The hydrogen storage properties of promising samples are confirmed through measurements on single-composition films with high-sensitivity (resolution <0.3 μg) Sievert’s-type apparatus. For selected samples, larger quantities of up to ～100 mg may be prepared and their (de)hydrogenation and micro-structural properties probed via parallel in situ Raman spectroscopy. Final confirmation of the hydrogen storage properties is obtained on ～1 g powder samples using a combined Raman spectroscopy/Sievert’s apparatus.     

镁基储氢复合材料的研究进展

综述了镁基储氢复合材料开发和研究的最新进展，重点介绍了稀土／镁基储氢复合材料和镍／镁基储氢复合材料的主要种类、吸放氢性能和相关的制备工艺，简要分析了钛、铁、钒、锆／镁基储氢材料的研究现状和存在的问题，讨论了镁基储氢复合材料在储氢电极材料方面的应用前景。     

储氢材料的研究发展现状

简要介绍了合金、碳纳米管、络合物等几种主要储氢材料的储氢原理和近期研究进展。讨论了各类材料的储氢功能特点,认为进行催化复合掺杂、控制储氢材料的显微结构是提高材料储氢性能的关键。     

氢溢流在多孔材料储氢性能研究中的应用

多孔材料的储氢性能研究是氢能经济发展的重要课题之一,然而其室温下的储氢性能还不能满足氢存储系统的所有要求。氢溢流被证明是提高多孔材料在室温下储氢性能的有效方法。主要从氢溢流产生的方法及其优缺点,氢溢流在碳基纳米材料、沸石、金属有机骨架和共价有机骨架等多孔材料储氢性能研究中的最新动态进行了详细综述,并指出了当前存在的问题和今后的发展方向。     

储氢材料的研究进展

氢能源以其可再生性和良好的环保效应成为未来最具发展潜力的能源载体,氢能被公认为人类未来的理想能源,而氢的储存是发展氢能技术的难点之一.本文综述了目前主要的储氢材料,如合金储氢、配位氢化物储氢、碳质材料储氢、有机液体氢化物储氢,并对未来的储氢材料发展进行了展望.     

核壳结构纳米镁基复合储氢材料研究进展

氢能的有效开发和应用主要需解决氢的安全、高效储运瓶颈问题。MgH_2具有高储氢容量、资源丰富以及成本低廉等优点,被认为是最具发展前途的一类储氢材料。但是,MgH_2较高吸放氢温度和较慢吸放氢速率限制了其实际应用。核壳结构纳米镁基储氢材料有助于材料储氢性能的改善,目前已取得了大量成果。本文针对国内外纳米镁基核壳结构储氢体系研究现状,归纳了该类储氢材料的制备方法,重点阐述和总结了其吸放氢热力学动力学性能、微观结构、物相变化,并对该领域的研究成果和方向进行了总结和展望,指出调控核壳结构镁基材料的纳米尺寸、添加高效纳米催化剂及其综合协同作用是镁基储氢材料领域未来的研究趋势和重要研究方向。     

纳米晶稀土贮氢合金的研究

用双辊快淬工艺制备了纳米晶AB5型富镧稀土贮氢合金。对热处理后的合金进行X射线衍射和扫描电镜SEM分析，并测试合金的吸放氢等温平衡曲线PCT。结果表明，处理的合金晶粒尺寸〈50nm，该合金具有良好的吸放氢动力学性能。     

Ti基准晶材料制备和贮氢性能研究进展

Ti基准晶材料具有热力学稳定的正二十面体构造，表现出特殊的传输特性、贮氢特性和力学特性等，相关研究受到广泛关注。近年，作者所在研究组在Ti基准晶的制备和贮氢性能研究方面取得了一些新进展。综合报道了Ti-Zr-Ni-Cu系准晶相及其复合相材料的制备和贮氢性能。     

氢燃料电池用镁-钛基合金储氢性能研究

采用高能振动球磨法,制备了Mg₃₅Ti₆₅合金,并添加(10%La_0.4Ce_0.1Pr_0.3Nd_0.2Ni_4Co_0.5Mn_0.3Al_0.2)作为改性剂,制备了储氢合金Mg₃₅Ti₆₅/(10%La_0.4Ce_0.1Pr_0.3Nd_0.2Ni_4Co_0.5Mn_0.3Al_0.2),研究了改性剂的添加及球磨时间对合金显微组织、吸放氢性能的影响规律。结果表明:球磨Mg₃₅Ti₆₅时间为20h时,能获得单一的BCC固溶体相,加入质量分数为10%的改性剂球磨0.5h时能明显地改善其储氢性能,8MPa,573K下100s内吸氢质量能达到3%,随着球磨时间的增加,其相结构发生改变,吸氢量及动力学性能逐渐变差。     

新型稀土镁基贮氢电极合金的结构与性能

系统研究了La0．7Mg0．3(Ni0．85Co0.15)x(x=2．5，3．0，3．5，4．0，4．5，5．0)贮氢电极合金的结构和储氢性能．该类型合金由(La，Mg)Ni3相(PuNi3型结构)和LaNi5相(CaCu5型结构)组成，两相的a轴参数和晶胞体积都随着x值的增大而减小．(La，Mg)Ni3相的丰度先从x=2．5时的48．4％增加到x=3．5时的78．2％，然后又减小到x=5．0时的12．2％，而LaNi5相的丰度在x=2．5-3．5时基本保持不变(-20％)，在x=4．0时突然增加到71.9％．合金的吸氢量从x=2．5时的0．86％(质量分数)增加到x=3．5时的1．50％然后又减小到x=5．0时的1．19％．合金的放氢平台压力在x=2．5-3．5时保持基本不变(-65．9kPa)，然后逐渐增加到x=5．0时的0．30MPa．随着x的增加，吸放氢过程的滞后效应先增大后减小，而合金的放氢平台变得更加平坦．     

共价有机骨架化合物(COFs)储氢材料研究进展

简要介绍了二维和三维COFs的结构,重点介绍了COFs作为储氢材料的研究现状和提高其储氢性能的改性方法,并对COFs在储氢方面存在的不足和未来的研究方向作出了总结与展望。     

储氢合金容量法测试技术

研究设计了一种高性能、高可靠性的容量法储氢合金P-C-T曲线测试设备。介绍了其测试机理，实验过程和操作步骤，阐明了它在测试储氢合金P-C-T曲线时操作简便，数据处理简明等特点。     

镁基材料储氢器的传质与传热研究

运用由壳层-缩核模型推导出的镁基储氢材料吸氢过程的动力学方程,分析了储氢材料在吸氢过程中的传质与传热规律,并对小型储氢器传质与传热过程进行了计算,其计算结果与试验数据可以较好地吻合,特别是对镁基储氢材料在吸氢过程所形成的‘引燃'过程进行了准确的描述,为储氢器设计提供了必要的理论基础.     

基于微观力学的复合材料气瓶爆破强度研究

为了研究复合材料储氢气瓶在内压和温度载荷作用下的复杂失效行为,提出一种基于微观力学的气瓶渐进失效分析方法.基于微观力学失效准则,分别判断纤维和基体的损伤与失效,并采用材料刚度退化的方法模拟复合材料失效后的力学行为.此外,建立了复合材料微观力学分析模型,并提取了相应宏-微观分析参数.整个渐进失效分析过程由ABAQUS用户子程序(UMAT)实现,分析得到了复合材料气瓶在热力耦合载荷下的复杂失效模式与最终爆破强度.有限元模拟与试验结果吻合良好,说明该方法可以为复合材料储氢气瓶的设计和优化提供理论指导.     

镁基储氢合金氢化物Mg2NiH4的制备及性能研究

以不经压制的Mg、Ni混合粉末为原料,利用氢化燃烧合成法在合成温度850 K和1.8 MPa初始合成氢压下制备了镁基储氢合金氢化物Mg2NiH4,并利用XRD及PCT仪分析了其物相组成和储氢性能.研究表明,产物由单一物相Mg2NiH4组成,无未反应的Ni和不完全氢化的Mg2NiH0.3;相对于传统熔炼法制备的Mg2Ni,氢化燃烧合成产物具有更高的氢化活性,在没有任何活化处理的前提下,第一次吸氢就能以很快的速度达到饱和吸氢量,同时在任何吸氢温度下均具有较好的吸氢动力学性能,且随温度的降低,最大吸氢量降低幅度较小,平台压和吸放氢温度的关系为:lgP(0.1 MPa)=-3 187.6/ T 6.362 4(吸氢),lgP(0.1 MPa)=-3 468.4/T 6.694 3(放氢).     

反应球磨法制备镁/碳纳米复合储氢材料

将无烟煤进行脱灰和碳化,制备微晶碳, 再将微晶碳和铝添加到镁中,用氢气反应球磨法制取镁/碳纳米复合储氢材料.用透射电子显微镜、选区电子衍射、X射线衍射和差示扫描量热分析对储氢材料的粒度、晶体结构和放氢温度进行了测定.结果表明,微晶碳是镁粉的高效助磨剂,添加40%(质量分数)的微晶碳,球磨3h,即可将镁磨至20～40nm;添加微晶碳和铝能降低储氢材料的放氢温度;微晶碳具有类似石墨结构,较易磨至纳米级,层片之间能够储氢.     

配位氢化物储氢合金的研究现状

配位氢化物储氢合金是最近几年发展起来的新型储氢合金，和稀土系AB5型、AB2、镁基和Fe-Ti系储氢材料相比，配位氢化物储氢合金的储氢量要明显高于前者。针对目前研究较多的NaAlH4、LiAlH4、LiBH4和Li2NH储氢合金的研究现状进行了概述。     

稀土贮氢合金表面特性的改善

用EDTA二钠对AB5型贮氢合金进行了表面处理。结果表明,该处理对合金的最大放电容量和大电流放电能力没有明显的影响,但是处理后贮氢合金电极的1C放电电位较未处理合金电极负约14mV,而充电电位比未处理合金低约17mV。这有利于提高MH－Ni电池的放电电压和降低充电电压。ICP－AES分析结果表明,处理液中含有合金金属的离子。XPS实验表明,处理后的合金表面有较低的氧含量。