Mg基化合物的制备新方法及其形成机理的研究

摘要

高储氢容量和低成本的轻质 Mg基储氢材料被认为是最具应用前景的固态储氢材料之一。本文在综述 Mg基储氢材料的性能、传统制备方法及其存在问题的基础上,使用MgH2粉末代替 Mg粉末,和其他元素粉末(Ni、Cu、Si)烧结制备 Mg2Ni、Mg2Cu和Mg2Si化合物。采用粉末 X射线衍射分析(XRD)、热重/差示扫描量热分析(TG/DSC)、X射线吸收精细结构分析(XAFS)以及密度泛函理论(DFT)等手段,系统地研究 Mg基化合物的制备新方法以及H在Mg基化合物形成过程中所起的作用及其反应机理。　　通过对2Mg+M(M=Ni、Cu和Si)和2MgH2+M混合物压片后在300、350、400、450和500 oC进行5 h的烧结,我们发现2Mg+M体系产物中 Mg基化合物的产率随温度的升高而增加,且增加速率基本不变;而2MgH2+M体系中 Mg基化合物产率的增加速率在350和400 oC之间有一个明显变大的过程。通过比较400 oC烧结20 h的产物发现,2Mg+M烧结产率很低,而2MgH2+M烧结后几乎全部形成 Mg2M相、产率达到96 wt.％以上。　　对2MgH2+M混合粉末以及纯 MgH2进行了TG/DSC测试,发现2MgH2+M混合物粉末的放氢峰对应的温度低于纯 MgH2放氢温度,因此我们可以推断,2MgH2+M在350 oC和500 oC之间烧结动力学的提高与H元素有关。　　为了弄清 H在促进 Mg基化合物形成的作用及机理,我们选择4Mg+Ni以及4MgH2+Ni体系在450 oC进行原位时间分辨 X射线吸收精细结构测试。通过对两者的径向分布函数和振荡函数分析发现,在反应的第一阶段(0~1.5 h),两者径向分布函数的第一近邻配位峰变化不大,为 Ni-Ni配位;在反应的第二阶段(1.5~4.5 h),4Mg+Ni体系的第一近邻配位峰强度缓慢下降,键长有所增大,而4MgH2+Ni体系的第一近邻配位峰强度出现了突然下降,键长的增加也比4Mg+Ni体系中要明显;到了反应的第三阶段(4.5~11 h),4Mg+Ni体系配位峰从 Ni-Ni配位逐渐向 Mg-Ni配位转变,而4MgH2+Ni体系中的配位键已完全形成为 Mg-Ni配位。DFT计算表明,一旦H原子从 MgH2表面分解后,Mg原子摆脱 MgH2晶体表面(001)所需的能量要远远低于其摆脱 Mg晶体表面(001)所需的能量。因此,在相同烧结环境下,MgH2+M的烧结动力学有明显提高。

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第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 储氢合金及其分类

1.3 Mg 基储氢材料的制备方法

1.4 本文的研究思路和研究内容

第二章 表征技术与实验原材料

2.1 引言

2.2 实验材料及制备

2.3 表征技术

第三章 Mg 基化合物的制备新方法

3.1 引言

3.2 2MgH2+Ni 和 2Mg+Ni 在不同温度下制备 Mg2Ni 的比较

3.3 2MgH2+Cu 和 2Mg+Cu 不同温度下制备 Mg2Cu 的比较

3.4 2MgH2+Si 和 2Mg+Si 不同温度下制备 Mg2Si 的比较

第四章 Mg 基化合物制备新方法的机理研究

4.1 引言

4.2 高温原位 X 射线吸收精细结构分析

4.3 密度泛函理论分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 本论文创新之处

5.3 对今后工作的建议和展望

参考文献

在学研究成果

致谢