亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        石墨烯增強(qiáng)MgYAl合金的可逆儲(chǔ)氫性能研究

        2022-07-21 11:53:50程光杰祝杰張清杰王常春
        關(guān)鍵詞:催化石墨烯儲(chǔ)氫

        程光杰 祝杰 張清杰 王常春

        摘要:本文系統(tǒng)研究了石墨烯(graphene)對(duì)MgYAl合金儲(chǔ)氫性能的增強(qiáng)作用。結(jié)果表明,在高壓氫氣氛球磨作用下,MgYAl將轉(zhuǎn)變?yōu)镸gH、YAl、YH和Mg(Al)固溶體,而石墨烯以非晶形式均勻分布在基體中。與純MgYAl合金相比,添加5 wt%石墨烯可以顯著改善其動(dòng)力學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。所制備的MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料在300 oC時(shí),30min可快速放氫5.77 wt%,放氫反應(yīng)激活能由純合金的115 kJ/mol降至108.17 kJ/mol。經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后,此復(fù)合材料的放氫量衰減至4.83 wt%,容量保持率約為84%,高于純合金的容量保持率(77%)。上述性能改善歸因于,所添加的高比表面積石墨烯不僅作為活性催化位點(diǎn)促進(jìn)H原子進(jìn)出Mg基體,還作為緩沖劑來(lái)抑制Mg晶粒長(zhǎng)大。

        關(guān)鍵詞:儲(chǔ)氫??Mg基合金??催化??石墨烯??動(dòng)力學(xué)

        Reversible Hydrogen Storage Properties of MgYAl Alloys Enhanced by Doping Graphene

        CHENG GuangJie??ZHU Jie??ZHANG QingJie??WANG Changchun

        (The 404 Company Limited CNNC, Lanzhou,?Gansu Province,?;732850?China)

        Abstract:?The effect of graphene on hydrogen storage properties of MgYAl?alloy?is studied systemically in this paper.?The results show that the MgYAltransforms into MgH, YAl, YH?and Mg(Al)?solid solution upon ball-milling under H?atmosphere, whereas the graphene exists as an amorphous nature. Compared to pure MgYAl?alloy, doping graphene is an effective strategy for promoting kinetic and cyclic performances. The MgYAl–5 wt% graphene composites can release 5.77 wt% H?within 30 min at 300 oC by a reduced activation energy from 115 kJ/mol to 108.17 kJ/mol. After 50 cycles, the hydrogen desorption of this composite decayed to 4.83 wt%, and the capacity retention rate was about 84%, which was higher than that of the pure alloy (77%).?The above performance improvement is attributed to that the added graphene with high specific surface area not only acts as an active catalytic site to facilitate the transfer of H atoms into and out of the Mg matrix, but also acts as a buffer to suppress Mg grain growth..

        Key Words: Hydrogen storage; Mg-based alloys; Catalysis; Graphene; Kinetics

        實(shí)現(xiàn)氫的安全、高效存儲(chǔ)是氫能技術(shù)利用的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比,固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)因具有存儲(chǔ)密度高、安全、可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具前景的儲(chǔ)氫技術(shù)。然而,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)的LaNi和TiMn合金,其儲(chǔ)氫量都低于2 wt.%,難以滿足容量車(chē)載儲(chǔ)氫材料>5.5 wt.%的容量需求。因此,亟需開(kāi)發(fā)高容量輕質(zhì)固態(tài)儲(chǔ)氫材料。

        鎂(Mg)基儲(chǔ)氫材料具有較高的理論含氫量(7.6 wt.%)、可逆性好和來(lái)源豐富等優(yōu)勢(shì),但其存在的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)難題阻礙了實(shí)際應(yīng)用。于是,人們提出了催化摻雜策略來(lái)改善上述儲(chǔ)氫性能。如原位摻雜MgNiH和RH(R:稀土元素)顆粒對(duì)MgH的吸/放氫反應(yīng)具有明顯的催化作用。最近,研究發(fā)現(xiàn)球磨82MgH–3PrH–15Al復(fù)合材料具有優(yōu)越的吸放氫性能,這是因?yàn)樵恍纬傻腜rAl納米顆粒均勻地分散于樣品中發(fā)揮催化作用。同樣的,摻雜YH和Al也可以進(jìn)一步改善MgH的動(dòng)力學(xué)性能。然而,上述Mg基復(fù)合材料的吸放氫循環(huán)耐久性有待進(jìn)一步改進(jìn)。研究發(fā)現(xiàn),添加石墨、碳納米管或石墨烯納米片等碳材料可提高M(jìn)g或Mg基合金儲(chǔ)氫性能。其中,二維石墨烯具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和大的比表面積,對(duì)MgH的吸放氫循環(huán)過(guò)程可能產(chǎn)生催化、防止Mg燒結(jié)、抑制晶粒生長(zhǎng)等協(xié)同作用。為了探究上述效果,本文首先采用快速凝固技術(shù)制備了MgYAl樣品,接著將其與石墨烯通過(guò)機(jī)械球磨法以獲得均勻分散效果,最后系統(tǒng)研究了其微觀形貌和吸/放氫循環(huán)性能。

        1. 樣品制備與表征

        初始原料Mg(純度99.9%)、Y(純度99.9%)、Al(純度99.9%)和graphene(純度99%)購(gòu)于國(guó)藥公司,均未經(jīng)處理直接使用。首先,稱取一定比例的Mg、Y、Al純金屬,通過(guò)感應(yīng)熔煉和甩帶快速凝固技術(shù)來(lái)獲得MgYAl合金。接著,以甩帶MgYAl合金粉末和石墨烯為原料,分別以95 wt.%和5 wt.%的比例置于球磨罐中,球料比40∶1,充入5 MPa氫氣,轉(zhuǎn)速400 rpm球磨50 h,制得MgYAl–5 wt.% graphene復(fù)合材料。

        樣品的結(jié)構(gòu)與相組成主要采用Rigaku D/max 2400X射線粉末衍射儀(XRD)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)試條件:Cu K靶,功率40 kV×80 mA,2:20o~80o。XRD樣品在氬氣保護(hù)手套箱中制備,并將樣品表面粘貼3M Scotch膠帶,以防止樣品與空氣中的氧、水發(fā)生反應(yīng)。樣品的微觀形貌采用Shimadzu Superscan SSX-550電子掃描電鏡(SEM)進(jìn)行表征,并采用所配置的能量彌散 X 射線探測(cè)器(EDX)來(lái)分析其元素面分布情況。樣品的吸放氫循環(huán)性能在日本鈴木自動(dòng)Sieverts裝置測(cè)試,每次樣品用量約1 g,吸氫壓力為4 MPa,放氫背壓為10 Pa。

        2 ?結(jié)果與討論

        2.1 相組成和微觀形貌

        圖1(a)給出了快速凝固甩帶技術(shù)制備的MgYAl合金的XRD精修圖??梢钥闯觯飨酁镸g的特征衍射峰,但其晶格參數(shù)為a = 3.1838(4) ?和c = 5.1740(5) ?,略小于純Mg的a = 3.2125(5) ?和c = 5.2132(8) ?。進(jìn)一步結(jié)合圖1(b)中SEM所對(duì)應(yīng)的EDS能譜可知,主相(所標(biāo)注位置1)為具有較小晶格參數(shù)的Mg(Al)固溶體,其組成為Mg–4 at% Al。第二相則為C15型Laves相,結(jié)合XRD圖的Rietveld精修和EDX分析(圖1(b)所標(biāo)注位置2),確定組成為過(guò)化學(xué)計(jì)量的Laves相Y(Al,Mg)。此外,還存在少量的YMg(圖1(b)所標(biāo)注位置3)和MgO相。圖1(b)中的SEM照片表明,C15型Laves相沿基體相Mg(Al)晶界處呈網(wǎng)狀分布,而少量YMg相則嵌入基體相中。

        圖1(c)為MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料球磨后的XRD擬合圖。由此可知,球磨誘發(fā)氫化反應(yīng),使合金轉(zhuǎn)變成MgH、Mg(Al)、YAl和YH,但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)石墨烯的衍射峰存在,這可能是由于球磨破壞石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。圖1(d)為球磨樣品的拉曼圖譜。由此可知,波數(shù)約為1334 cm和1595 cm處所代表的D帶和G帶仍然存在,表明石墨烯是以無(wú)序的非晶態(tài)存在的。進(jìn)一步基于精修結(jié)果,通過(guò)謝樂(lè)公式可計(jì)算出MgH的平均晶粒大小為(22 ± 2 )nm。

        圖2為球磨制備的MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料的SEM圖。由此可知,球磨所制備的復(fù)合材料顆粒呈圓球狀,尺寸分布均勻。部分顆粒呈現(xiàn)片層狀石墨烯包覆痕跡,沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象。進(jìn)一步的元素面分析表明,Y、Al和C元素均勻的分布在Mg基體上,這充分說(shuō)明合金顆粒與石墨烯的接觸十分充分,有利于催化作用的更好發(fā)揮。

        2.2 放氫動(dòng)力學(xué)性能

        圖3(a)給出了MgYAl樣品不同溫度下的放氫曲線。由此所示,隨著溫度升高,樣品的放氫速率也明顯加快。在250 oC時(shí),樣品在30 min的放氫量為0.99 wt%;當(dāng)溫度提升至275 oC,放氫量則為2.67 wt%;而樣品在300 oC和325 oC下時(shí)的放氫量分別為4.93 wt%和6.15 wt%。與石墨烯復(fù)合以后,MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料的放氫動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)一步增強(qiáng)。如圖3(b)所示,在250 oC時(shí),樣品在30 min的放氫量為2.4 wt%;當(dāng)升到275 oC,樣品30 min的放氫量為4.9 wt%;繼續(xù)升溫至300 oC,樣品的放氫量高達(dá)5.9 wt%。與MgYAl樣品相比,MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料在相同的溫度的放氫速率更快。這充分說(shuō)明了高比表面積的石墨烯為H原子擴(kuò)散提供了快速路徑,從而加快了樣品的放氫速率。為了進(jìn)一步量化MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)性能改善,對(duì)該樣品不同溫度下的恒溫放氫曲線進(jìn)行JMAK動(dòng)力學(xué)模型擬合,如圖3(c)所示。通過(guò)取ln[-ln(1-α)]對(duì)lnt作圖,可計(jì)算出lnk的值。再根據(jù)Arrhenius方程,以1/T為橫坐標(biāo),lnk為縱坐標(biāo)作圖,如圖3(d)所示,所得斜率(-E/R)可計(jì)算出復(fù)合材料的放氫反應(yīng)激活能為108.17 kJ/mol,低于純MgYAl的115 kJ/mol。上述結(jié)果表明,石墨烯添加對(duì)MgYAl樣品的動(dòng)力學(xué)性能具有顯著提升作用。

        2.3 可逆循環(huán)性能

        圖4探究了MgYAl–5 wt% graphene復(fù)合材料的吸/放氫循環(huán)穩(wěn)定性能。如圖4所示,樣品在10 min內(nèi)可以吸氫達(dá)到飽和,吸氫量為5.89 wt%;經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后,其吸氫量有所下降,第50次衰減至5.03 wt%,容量保持率達(dá)到85%。同樣地,樣品可以在30 min內(nèi)快速完成放氫,放氫量可達(dá)到5.77 wt%。隨著循環(huán)次數(shù)增加,其放氫量逐漸降低,放氫速率也有減緩,第50次在30 min內(nèi)放氫量為4.83 wt%,其容量保持率仍高達(dá)到84%。上述結(jié)果充分表明,高比表面積的石墨烯加入使樣品具有更快的吸氫和放氫速率,更優(yōu)異的吸放氫循環(huán)穩(wěn)定性。

        2.4 循環(huán)過(guò)程Mg晶粒變化

        為了揭示石墨烯對(duì)Mg晶粒長(zhǎng)大的抑制作用,圖5進(jìn)一步比較不同循環(huán)次數(shù)后復(fù)合樣品放氫產(chǎn)物的XRD衍射譜??梢钥闯?,不同循環(huán)次數(shù)放氫產(chǎn)物的相組成均保持不變,由Mg(Al)固溶體、YAl、YH、YH和少量MgO組成。這充分表明,在吸放氫可逆過(guò)程中,僅發(fā)生Mg(Al)?MgH+Al和YH?YH之間的相互轉(zhuǎn)變,而YAl相一直穩(wěn)定存在。進(jìn)一步根據(jù)XRD精修結(jié)果,利用pseudo-Voigt函數(shù)的洛倫茲精修參數(shù),可得第1次、第5次、第10次和第50次放氫樣品中Mg的晶粒尺寸分別為(101 ± 5)?nm、(115 ± 7)?nm、(129 ± 4 )nm和(168 ± 8 )nm,上述值小于純MgYAl樣品50次循環(huán)后Mg晶粒尺寸(187nm?± 12 nm),故可知添加石墨烯可以抑制Mg的晶粒長(zhǎng)大。此外,高比表面積的石墨烯還可以作為H原子吸收和釋放的活性位點(diǎn),從而改善了復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)性能和吸/放氫循環(huán)穩(wěn)定性。

        3 ?結(jié)語(yǔ)

        添加石墨烯可以顯著改善MgYAl合金的吸/放氫動(dòng)力學(xué)性能和可逆循環(huán)性能。與純MgYAl合金相比,MgYAl–5 wt.% graphene復(fù)合材料具有更加優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能,反應(yīng)活化能降低了約7 kJ/mol。經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后,其吸/放氫循環(huán)穩(wěn)定性能得到提升,容量保持率高達(dá)84%。這是由于添加的石墨烯不僅抑制了Mg晶粒的長(zhǎng)大和顆粒團(tuán)聚,還可作為H吸收和釋放的活性位點(diǎn),從而極大地改善了復(fù)合材料的儲(chǔ)氫性能。

        參考文獻(xiàn)

        [1] YANG?J,?SUDIK?A,?WOLVERTON?C,?et al.High capacity hydrogen storage materials: attributes for automotive applications and techniques for materials discovery[J].Chem. Soc. Rev.,2010,39:656-675.

        [2] Schlapbach L, Züttel A.Hydrogen-storage materials for mobile applications[J].Nature,2001,414:353-358.

        [3] George W C, Mildred S D, Michelle V B.The hydrogen economy[J].Phys. Today,2004,12:39-44.

        [4] Züttel A.Materials for hydrogen storage[J].Mater. Today,2003,9:24-33.

        [5] Zhang Q A, Nakamura Y, Oikawa K, et al.Synthesis and crystal structure of SrAlH: a new structural type of alkaline earth aluminum hydride[J].Inorg. Chem.,2002,41(25):6547-6549.

        [6] Hamilton CW, ?Baker R T, Staubitzc A, et al.B-N compounds for chemical hydrogen storage[J].Chem. Soc. Rev.,2009,38:279-293.

        [7] Li Y, Zhou G, Fang F, et al.De-/re-hydrogenation features of NaAlH?confined exclusively in nanopores[J].Acta. Mater.,2011,59(4):1829-1838.

        [8] Edalati K, Uehiro R, Ikeda Y, et al. Design and synthesis of a magnesium alloy for room temperature hydrogen storage [J]. Acta Mater.,2018,149:88-96.

        [9] Zhang J, Yan S, Qu H.Recent progress in magnesium hydride modified through catalysis and nanoconfinement[J].Int. J. Hydrogen Energy,2017,43(3):1545-1565.

        [10] Wang Y, Li L, An C, et al.Facile synthesis of TiN decorated graphene and its enhanced catalytic effects on dehydrogenation performance of magnesium hydride[J].Nanoscale,2014,6(12):6684-6691.

        [11] Zhou C, Li C, Li Y, et al.Enhanced hydrogen storage kinetics of an Mg–Pr–Al composite by in situ formed PrAl?nanoparticles[J].Dalton Trans.,2019,48(22):7735-7742.

        [12] Wang Y, Ding Z, Li X, et al.Improved hydrogen storage properties of MgH?by nickel@nitrogen-doped carbon spheres[J].Dalton Trans.,2020,49(11):3495-3502.

        [13] Zhang Q A, Jiang C J, Liu D D.Comparative investigations on the hydrogenation characteristics and hydrogen storage kinetics of melt-spun MgNi?(?= La, Nd and Sm) alloys[J].Int. J. Hydrogen Energy,2012,37(14):10709-10714.

        [14] Zhang Q A, Liu D D, Wang Q Q, et al.Superior hydrogen storage kinetics of MgYNi alloy with a long-period stacking ordered phase[J].Scripta Mater.,2011,65(3):233-236.

        [15] Zhou J, Lei J, Zhang Q.Improved cycle durability of hydrogen absorption and desorption in melt-spun MgPrAl?alloy[J].Chem.Select,2019,4:11759-11765.

        [16] Lei J, Zhang Q.Microstructure and hydrogen absorption-desorption characteristics of melt-spun MgYAl?alloy[J].Chem.Select,2020,5:11403-11408.

        [17]?Awad A S, Tayeh T, Nakhl M, et al.Effect of carbon type (graphite, CFs and diamond) on the hydrogen desorption of Mg–C powder mixtures under microwave irradiation[J].J. Alloys and Compds,2014,607:223-229.

        [18] Spassov T, Zlatanova Z, Spassova M, et al.Hydrogen sorption properties of ball-milled Mg–C nanocomposites[J].Int. J. Hydrogen Energy,2010,35(19):10396-10403.

        [19] Lillo-Rodenas M A, Guo Z X, Aguey-Zinsou K F, et al.Effects of different carbon materials on MgH?decomposition[J].Carbon,2008,46(1):126-137.

        [20] Novoselov K S, Fal V I, Colombo L, et al.A roadmap for graphene[J].Nature,2012,490(7419):192-200.

        [21] Song M Y, Choi E, Kwak Y J.Increase in the dehydrogenation rates and hydrogen-storage capacity of Mg–graphene composites by adding nickel via reactive ball milling[J].Mater. Res. Bull.,2020,130:110938.

        [22] Nakamura Y, Bowman R C, Akiba E.Strain formation and lattice parameter change in LaNSn–H system during the initial activation process[J].J. Alloys and Compds,2004,373(1-2):183-193.

        作者簡(jiǎn)介:程光杰(1989—),男,本科,工程師,研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。

        猜你喜歡
        催化石墨烯儲(chǔ)氫
        站用儲(chǔ)氫瓶式容器組缺陷及檢測(cè)方法
        我國(guó)固定式儲(chǔ)氫壓力容器發(fā)展現(xiàn)狀綜述
        重視隱性德育關(guān)注心靈成長(zhǎng)
        甘肅教育(2016年23期)2017-02-09 13:11:40
        功率芯片表面絕緣層厚度對(duì)石墨烯散熱效果的影響
        綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):RGO/MnO復(fù)合材料的合成及其電化學(xué)性能考察
        考試周刊(2016年85期)2016-11-11 02:09:06
        鋰離子電池石墨烯復(fù)合電極材料專(zhuān)利分析
        文學(xué)經(jīng)典催化高教情商教育
        梁?jiǎn)⒊c漢語(yǔ)中的日語(yǔ)譯詞
        儲(chǔ)氫合金La0.74Mg0.26Ni2.55Co0.55Al0.2Fe0.1的制備與電化學(xué)性能
        高比表面積活性炭吸附儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展
        欧美国产日本精品一区二区三区| 无码人妻黑人中文字幕| 亚洲一区二区刺激的视频| 青青草激情视频在线播放| 最新国产不卡在线视频| 国产成人精品无码免费看| 中文有码无码人妻在线| 日韩精品久久无码中文字幕| 岳毛多又紧做起爽| 99国内精品久久久久久久| 一本一道av中文字幕无码| 国产成人vr精品a视频| 伊人久久网国产伊人| 国产在线美女| 精品一二区| 国产日韩亚洲中文字幕| 精品色老头老太国产精品| 水蜜桃网站视频在线观看| 日本不卡的一区二区三区中文字幕 | 国产在线一区二区av| 人妻夜夜爽天天爽三区麻豆av网站| 国产麻豆md传媒视频| 大地资源网最新在线播放| 国产精品无码久久久久免费AV| 嗯啊 不要 啊啊在线日韩a| 国产一区二区毛片视频| 国产精品高湖呻呤久久av| 97精品人妻一区二区三区在线| 最新中文字幕av无码不卡| 99热精品成人免费观看| 国产亚洲精品国看不卡| 加勒比久草免费在线观看| 粉嫩人妻91精品视色在线看| 国产一区二区视频免费在| 风情韵味人妻hd| 啦啦啦www播放日本观看| 高潮毛片无遮挡高清免费| 99热门精品一区二区三区无码| 中文字幕日韩精品亚洲精品| 亚洲国产精品久久久久秋霞小说| 久久久av精品波多野结衣|