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摘 要

本文通过燃烧合成法成功制备出Mg₂Al₃合金，并通过XRD、DSC等测试方法考察合金形成过程中物相演变，揭示其合金化机理。结果可知，燃烧合成法制备Mg₂Al₃合金升温过程可分为三个阶段：首先是合金的成核与生长，接着，Mg₁₇Al₁₂ 与Mg发生共晶反应，最后，剩余的Mg₁₇Al₁₂与Al发生包析反应全部转化成Mg₂Al₃，并伴随着Mg₂Al₃的熔化。最后利用气体反应控制器考察了制得的合金在不同温度下的吸放氢性能。

关键词：镁铝合金 燃烧合成法 相组成 储氢

Preparation of Mg-Al hydrogen storage alloy by combustion synthesis and its hydrogen storage properties

ABSTRACT

In this thesis we successfully prepared the Mg₂Al₃ alloy by combustion synthesis and some measurements like XRD and DSC were used to investigate the phase change during the process so as to find out the alloying mechanism. The result shows that the preparation of Mg₂Al₃ alloy by combustion synthesis can be divided into three stages：the first is the nucleation and growth of the Mg₂Al₃ and Mg₁₇Al₁₂ alloys ，then comes the eutectic reaction between Mg₁₇Al₁₂ and Mg, and eventually the residual Mg₁₇Al₁₂ react with Al through peritectoid reaction and transform into Mg₂Al₃ completely along with the melting of Mg₂Al₃ alloy. At last we used a PCT equipment to test the hydriding/ dehydriding properties of the Mg₂Al₃ alloy under different temperature .

Key words : Mg-Al alloy; combustion synthesis; phase composition; hydrogen

storage

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2 储氢方法简介 2

1.3储氢合金概述 2

1.3.1储氢合金原理 2

1.3.2储氢材料的性能指标 3

1.3.3影响储氢材料储氢能力的因素 4

1.3.4储氢合金及其分类 4

1.4镁基储氢合金简介 5

1.5镁基储氢合金的制备方法 6

1.5.1熔炼法 6

1.5.2扩散法 7

1.5.3机械合金化（MA）法 7

1.6燃烧合成法制备镁基储氢合金 8

1.7本文研究的内容及问题提出 9

第二章 燃烧合成法制备Mg-Al合金 10

2.1实验原料与实验仪器 10

2.2燃烧合成法制备Mg-Al储氢合金的过程 11

2.3镁铝储氢材料微观结构分析 12

第三章 结果分析与讨论 13

3.1 燃烧合成法制备Mg₂Al₃合金过程中的物相转变 13

3.2 燃烧合成法制备的Mg₂Al₃合金的吸放氢性能 17

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2对将来工作的建议和展望 19

4.2.1关于本实验的拓展研究 19

4.2.2未来工作展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第一章 文献综述

1.1引言

能源是人类生存和社会发展的物质基础。工业革命以来，煤、石油、天然气这些化石燃料一直是社会经济发展的强劲动力。然而，与之相关的问题也不断突显出来。首先，人类对煤、石油等化石燃料的消耗量日益增加使之储量越来越少，终有一天这些资源将会枯竭。据估计现有的石油资源按现在的开采速度到2050年也将耗尽^[1]。此外，化石燃料的燃烧排放出大量的CO₂等温室气体以及SO₂、CO等多种有毒气体，导致了非常严重的温室效应和大气污染。一百多年以来，地球的环境和生态结构发生了明显改变，使得极端气候变得越来越频繁，物种灭绝速度显著加快，南北极冰圈加速融化，海平面上升等等，有些地方已经严重影响到了人们的健康，对人类的生存与发展构成了巨大威胁。因此我们迫切地需要寻找一种清洁无污染、可持续的新型能源系统。

氢作为能量的一种载体，具有许多优异特性：本身无毒，燃烧产物为水，非常洁净，不会排放温室气体和其他污染物；热值高，单位质量的氢所蕴含的化学能（142 MJ/kg）至少是其他化学燃料的三倍^[2]；来源广，氢是地球上含量最丰富的元素之一，广泛存在于水和有机物中；通用性强，能适用于大多数终端燃烧设备；化学活性高，可通过燃料电池实现能量的高效转化，不会受到卡诺热机效率的限制。因此，氢能被誉为21世纪的能源，许多国家都在加紧部署、实施氢能战略，如美国针对运输机械的“FreedomCAR”计划和针对规模化制氢的“FutureGen”计划，日本的“NewSunshine”计划以及“We－NET”系统，欧洲的“Framework”计划中关于氢能源的投人也呈指数上升趋势^[3]。然而氢能至今都没有得到商业化的应用，其主要原因是因为相应的技术难题还没有能得到妥善解决。氢能源的开发和利用首先要解决的问题是如何廉价、高效地制取氢气，其次是探索出安全可靠的储氢技术，最后是如何高效便捷地使用氢气，使其化学能转换为机械能和电能等。其中，制约氢能发展的瓶颈是氢的储存问题，因此开发出一种性能优越、安全便捷的储氢材料一直是研究的重点。

1.2 储氢方法简介

储存氢气的方法多种多样，根据吸附氢作用力的不同可以简单地分为物理储氢和化学储氢两种^[4,5]。物理储氢方式主要包括液化储存（21 K）、高压容器储氢（容器内压力可高达800 bar）、活性炭吸附储氢、碳纤维和碳纳米管储氢、玻璃微球储氢、地下岩洞储氢等。当氢分子是以物理吸附的形式被储存起来时，吸附材料与氢分子之间的结合能一般在毫电子伏特（meV）范围内，因此这种材料的解析氢温度较低。

化学储氢方法有：金属及合金氢化物储氢、有机液体储氢、无机氢化物储氢、铁磁性材料储氢等。与物理储氢不同，化学储氢时氢分子间的化学键断裂后形成单个的氢原子，然后氢原子扩散进入储氢材料内部并与之形成新的化学键，其键能约为2-4 eV ^[6]，所以化学储氢一般脱氢温度都比较高。表1-1中列出了几种常用储氢方法及其性能比较。此外，有人提出还有一种介于物理储氢和化学储氢之间的储氢方式：氢分子内的共价键被削弱了但是并没有断裂，其结合能在0.1-0.8 eV范围^[7-8]，这类储氢材料可能表现出比较合适的热力学性能，但有关的报导并不多见。

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