镁基储氢材料颗粒尺寸对吸放氢动力学性能的影响new

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1、第34卷第7期稀有金属材料与工程Vol.34,No.72005年7月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGJuly2005镁基储氢材料颗粒尺寸对吸放氢动力学性能的影响1121房文斌，张文丛，于振兴，王尔德(1.哈尔滨工业大学复合材料研究所，黑龙江哈尔滨150001)(2.清华大学，北京100084)摘要：通过吸放氢动力学方程，计算了颗粒大小对镁-镍-氧化物储氢材料吸放氢动力学过程的影响。计算结果表明：不同颗粒直径的镁-镍-氧化物储氢材料的吸放氢反应速度差别较大；颗粒越小，其吸放氢动力学性能越优异。关键词：储氢材料；颗粒尺寸；吸放氢动力学中图法分类号：TG139文献标

2、识码：A文章编号：1002-185X(2005)07-1017-04R1－颗粒的直径(m)；1引言T－温度（K）；金属储氢材料作为一种存储氢气的安全有效的手rc－内核半径（m）；[1~5]段，越来越受到人们的重视。储氢材料的储氢容量Kf－吸氢总反应速率常数；以及吸放氢动力学性能是制约其大规模储氢应用的重R－理想气体常数；要因素。近年来，有许多学者根据各自的实验结果，PH－氢气压力（Pa）；2[6]3建立了不同的吸放氢动力学方程，一些方程的获得ρMg－金属镁摩尔密度（mol/m）[7]都是通过阿累尼乌斯方程以及缩核模型建立起来的，恒温放氢动力学简化方程(放氢过程的压力为另外一些则是利用John

3、son-Mehl-Avrami相变动力学方0.1MPa)：[7,8]程建立的，但是，对于镁-镍-氧化物储氢材料的动2ρMgRrc2rc3力学储氢材料颗粒大小对其吸放氢动力学性能的规律t=[1−3()+2()]（2）KRRf的研究较少。随着机械合金化工艺的发展，可以较容1易地制备纳米晶复合储氢材料，并且，颗粒材料的尺Kf－放氢总反应速率常数，其余各参数与方程1寸也已经进入纳米级，因此，颗粒大小成为影响储氢（1）相同。[9~11]材料的吸放氢动力学性能的关键因素之一。图1是镁基储氢材料吸氢过程的壳层缩核模型，图2是镁基储氢材料放氢过程的壳层缩核模型。2吸放氢动力学方程及参数ABCD本实验是在文献

4、[12]提出的壳层-缩核反应机制基础之上建立的吸放氢动力学方程，并按照多孔介质“容[13]积平均”的原则，即认为储氢材料颗粒在同一条件下大小均匀，计算了颗粒尺寸大小对镁-镍-氧化物储氢材料吸放氢动力学性能的影响。图1镁基材料吸氢的壳层缩核模型吸氢动力学方程：Fig.1ShellshrinkingcoremodelofMg-basedhydrogenabsorbedmaterials:(A)Mg-basedhydrogenstorage2RTπρMgR1rc2rc3t=[1−3()+2()]（1）material,(B)absorbedhydrogenresultantMgH2,KPRRfH2

5、(C)unreactedinnercoreMg,and(D)reacted其中：t－反应时间；resultantMgH2收到初稿日期：2003-11-27；收到修改稿日期：2004-03-06基金项目：黑龙江省科技攻关重点项目资助(2003-37)作者简介：房文斌，男，1963年生，博士后，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001，电话：0451-86418613·1018·稀有金属材料与工程34卷ABCD线。在放氢过程中，粒度对放氢过程的影响与吸氢过程相同，当材料的粒径比较小的时候，材料表现出了优良的放氢性能，当粒径比较大的时候，吸氢的动力学性能表现很差。当材料的粒径为1

6、.0µm，温度为300℃时，放氢过程可以在接近300s的时间内完成；图2镁基材料放氢过程的壳层缩核模型同样温度下，当粒径为2.0µm时，完成放氢过程需要Fig.2ShellshrinkingcoremodelofMg-baseddesorbed近1250s才能完成。hydrogenmaterials:(A)hydrogenundesorbedMgH2,88(B)productMgofdesorbedhydrogenMgH2,/%7123752(C)unreactedinnercoreMgH2,(D)productof6641-0.1µm4-2.0µmhydrogendesorbedMg552

7、-0.5µm5-4.0µm443-1.0µm33223理论计算11MassPercentageofH3.1理论计算参数0001002003000150030004500吸氢过程理论计算是在2MPa，200℃的条件下进DesorptionTime/sDesorptionTime/s-16行的，Kf为3.50×10；放氢过程理论计算是在一个标准大气压(0.1MPa)，300℃的条件下进行的，Kf1为1.023图4