《氢能源材料吸放氢的热力学与动力学理论》

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现有的氢分离材料存在界面结合不好的缺点、固态储氢材料也有着吸放氢速度慢和反应温度较高等问题。自2004年12月以来,在国家自然科学基金委等的资助下,课题组采用多种理论和实验方法建立了几种氢能源材料的吸放氢热力学和动力学规律,在Appl.Phys.Lett.、Phys.Rev.B和Inter.J.Hydrogen Energy等国际知名期刊上发表论文135篇,其中20篇代表性论文SCI他引149次。项目期间取得的研究成果如下:提出使用金属间化合物TiAl作为钯膜的支撑体,解决了长期以来透氢钯膜与多孔支撑体之间界面结合不好的科学难题。氢分离钯膜与常规多孔支撑体(如陶瓷、不锈钢等)由于膨胀系数差异较大或者界面扩散等问题导致界面结合不好,长期以来一直是困扰人们的一个科学难题。课题组提出的TiAl合金具有比强度和比模量高、抗高温氧化性能良好、并与钯膨胀系数十分相近和界面结合强度高等优点,是适合于钯膜的新型轻质支撑体材料。英国剑桥大学教授等充分肯定了课题组将TiAl作为新型支撑体的创新性观点,国际权威期刊Appl.Phys.Lett.的审稿人认为课题组在钯膜领域内为实验科学家提供了理论指导。解释了文献中长期存在的纯金属储氢材料结构稳定性和力学性能方面的矛盾。课题组系统研究了氢的含量和占位对于钛、锆和铪等结构稳定性、力学性能和相变等的影响,首次从理论上解释了文献长期存在中的关于纯金属储氢材料结构稳定性、力学性能和相变等方面的矛盾性实验结果。氢能源材料的国际权威期刊Inter.J.Hydrogen Energy审稿人对课题组的结果给予了高度评价。发现了Ti提高铝基储氢材料吸氢性能的机理,提出了铝基储氢材料氢扩散的新机制。课题组发现位于Al表面下的几层Ti原子对氢的解离吸附才有催化作用,它能有效降低H<,2>分子的解离能垒;首次发现Na<,3>AlH<,6>中H空位以带电状态存在,正电H空位的局域扩散能垒最低。国际顶尖期刊Chem.Rev.(IF=45.661)用3处介绍了课题组的研究成果,其中一处独立用一段文字对课题组的工作进行了高度肯定。制备了纳米结构的镁基储氢材料,大幅度降低了镁合金的脱氢温度。课题组在国际上率先通过在球磨罐外施加磁场,通过磁场大小和位置变化控制磨球的运动,以控制机械合金化的能量,抑制所合成储氢材料的晶粒长大,获得了晶粒尺寸小至2-6nm的纳米晶Mg<,2>FeH<,6>储氢材料,这种晶粒尺寸至今仍是这种储氢材料国际上最小的晶粒,并使储氢材料放氢温度下降100℃以上。研究成果被Appl.Phys.Lett.和Acta Mater.等国际权威期刊他引30次,受到广泛好评。发现了影响金属-非金属基储氢材料放氢速率的关键因素。LiNH<,2>的理论储氢容量高达8.7wt%H,但其放氢的动力学过程缓慢。课题组发现LiNH<,2>放氢动力学慢的主要原因是带正电的H间隙的浓度过低,可望通过提高正电H间隙的浓度来改善LiNH<,2>的放氢动力学性能。美国加州大学圣芭芭拉分校Van de Walle教授将课题组的工作作为参照进行了4次引用评论。

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