LiBH 4與Al基配位氫化物復合體系儲氫性能對比研究

李 蕓 陳立新 巫少龍

（ 1.衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000； 2.浙江大學，浙江 杭州 310000）

化石燃料（如石油、天然氣、煤）是人類使用的主要能源材料，它的儲量日益枯竭，且由于燃燒產物而造成的環境問題，正危害著我們賴以生存的地球，也危害著人類的健康。眾多科學家一致認為，氫能等清潔的可再生能源體系可以解救全球能源危機，并取代現有額能源體系［1］。

LiBH4配位氫化物是非常有潛力的儲氫材料，它擁有很高的質量儲氫密度和體積儲氫密度［2］，被Züttel等首次發現［3］。但LiBH4是一種比較穩定的物質，所需放氫溫度較高，且放氫動力學緩慢，所以更多的學者致力于LiBH4的改性研究中［4］。本文以LiBH4基復合儲氫體系為研究對象，通過反應失穩法，考察LiBH4與Al單質、Al基配位氫化物（LiAlH4，NaAlH4，Li3AlH6）組成的復合體系的放氫行為，對比四組復合體系在放氫熱力學和放氫動力學上的優劣。對放氫性能最為優越的2LiBH4-Li3AlH6復合體系的放氫機理作進一步探討，并分析其表面形貌，研究2LiBH4-Li3AlH6復合體系的循環可逆性能，分析其可逆組元，探討改善可逆儲氫性能的有效途徑。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用原料LiBH4（95%，Acros），Al（99%，國藥），LiH（98%，Aldrich），LiAlH4（95%，Aldrich）和 NaAlH4（90%，Aldrich）均直接購買，未作進一步處理。為防止氧化，樣品的稱重，制備，取樣等環節均在充滿氬氣的手套箱中進行（O2＜1ppm；H2O＜1ppm）。全部樣品均球磨制備（（QN-3SP4，Nanjing，China），球料比為40:1，轉速300rpm，球磨時間為1h。

1.2 實驗儀器

實驗中使用Sievert恒容-壓差測試裝置進行儲氫性能測試。首先在手套箱中稱取0.2～0.3g樣品置入反應器中，抽真空，檢查裝置是否漏氣，以5℃/min的速率升溫至400℃并保溫5h，使樣品充分放氫，記錄實驗結果。利用差示掃描量熱法（DSC，Netzsch STA 449F3）對樣品進行熱分析，利用X射線粉末衍射法（XRD，X’Pert-PRO，Cu Κα radiation）和傅氏轉換紅外線光譜分析儀（FTIR，Bruker，Tensor27）進行相組成和結構分析，利用掃描電鏡（SEM，FEI FSEM SIRION-100）觀察樣品的微觀組織和表面形貌。

2 結果與討論

2.1 Li3AlH6球磨樣品XRD分析

圖1 （a）LiH、（b）LiAlH4、（c）2LiH-LiAlH4球磨50h后的合成產物的XRD圖譜

實驗中所需的Li3AlH6粉末非?；顫?，很難通過市場購買成品，所以通過球磨LiH和LiAlH4的方法來制備Li3AlH6。將LiH和LiAlH4按摩爾比2:1均勻混合，按25:1的球料比裝入球磨罐，以300rpm的轉速進行球磨，球磨罐中充滿了高純氬氣。為防止樣品結塊，每隔10h對樣品搗樣，總球磨時間為50h。最后對球磨產物以及純LiH和LiAlH4進行XRD分析，結果如圖1所示。圖中，LiH和LiAlH4的特征峰無任何雜質峰，說明在樣品制備時未發生氧化。2LiH-LiAlH4球磨50h后的合成樣品中，LiAlH4和LiH特征峰完全消失，取而代之的是Li3AlH6特征峰，說明反應完全。

2.2 LiBH4分別與四種鋁基復合物球磨樣品制備

將LiBH4分別與Al，LiAlH4，NaAlH4和Li3AlH6以2:1的摩爾比球磨1h，得到出四組復合儲氫材料，其XRD分析如圖2所示。圖中，2LiBH4-NaAlH4樣品中，除原料LiBH4和NaAlH4相以外，還有很強的NaBH4與LiAlH4峰，說明球磨時LiBH4中的Li元素被NaAlH4中Na元素取代，發生了置換反應。其他三組的衍射峰與原料相同。

圖2 球磨1h后的2LiBH4-Al、2LiBH4-NaAlH4、2LiBH4-Li3AlH6和2LiBH4-LiAlH4樣品的XRD圖譜

2.3 四種復合體系放氫性能分析

稱取 2LiBH4-Al、2LiBH4-NaAlH4、2LiBH4-Li3AlH6和2LiBH4-LiAlH4球磨樣品各300mg，在相同條件下以5℃/min的速率升溫至400℃保溫5h，進行放氫實驗，并繪制TPD曲線，結果見圖3。圖中，2LiBH4-Li3AlH6最先完成放氫，第一步放氫始于190℃，第二步始于320℃，在400℃保溫時，放氫速率有所減緩；從升溫至放氫結束大約用時150min，釋放出約9.1wt%的氣體，接近理論放氫量9.2wt%。其余三組樣品在實驗條件下，放氫量分別為：2LiBH4-Al放氫5.7wt%；2LiBH4-LiAlH4放氫8.5wt%；2LiBH4-NaAlH4放氫5.2wt%，均低于其理論儲氫量，放氫不完全?？梢?，2LiBH4-Li3AlH6體系的放氫動力學性能和放氫熱力學性能均優于其他三組，是四組復合儲氫材料中的綜合性能最優組合。

圖3 球磨1h后的2LiBH4-Al，2LiBH4-NaAlH4，2LiBH4-Li3AlH6和2LiBH4-LiAlH4樣品的放氫TPD曲線

對四組樣品放氫產物的XRD表征見圖4。四組樣品放氫后均有AlB2、Al和LiH生成，其中2LiBH4-Li3AlH6樣品放氫產物中AlB2的相對含量最高。有關文獻報道［5］，AlB2是可逆相，有利于體系的可逆儲氫。此外2LiBH4-Li3AlH6樣品的放氫產物中有一些未能判斷為何物的未知峰（32°和 50°附 近），這 些未知峰在2LiBH4-LiAlH4和2LiBH4-NaAlH4樣品的放氫產物中也可以被觀察到。

圖4 四組樣品放氫產物的XRD圖譜：（a）2LiBH4-LiAlH4，（b）2LiBH4-Li3AlH6，（c）2LiBH4-NaAlH4和（d）2LiBH4-Al樣品

2.4 2LiBH4-Li3AlH6體系反應機理研究

既然2LiBH4-Li3AlH6體系的放氫性能優于其他三組，本研究對其放氫過程及反應機理做了進一步研究。從放氫TPD曲線可知，2LiBH4-Li3AlH6體系分兩步放氫，作者分別對球磨后、200℃放氫后和400℃放氫后樣品進行XRD分析，結果見圖5。球磨樣品中的主相為LiBH4和Li3AlH6，一些未標注的小峰可能是原料帶來的雜質。樣品經200℃放氫后，Li3AlH6的特征峰消失，伴隨Al和LiH的特征峰的出現；同時LiBH4相仍然存在，并且沒有其他任何含B的相出現，說明第一步放氫是Li3AlH6的分解，如式1。樣品加熱至400℃以后，LiBH4相消失，Al的強度降低，并且有AlB2相生成，說明LiBH4與Al反應并伴隨LiBH4的自分解，如式2、式3。

圖5 2LiBH4-Li3AlH6體系在不同放氫階段的XRD圖譜：（a）球磨后，（b）200℃放氫后，（c）400℃放氫后

3 總結

本文主要考察了 LiBH4分別與 Al，LiAlH4，NaAlH4，Li3AlH6組成的四組復合體系的放氫行為，并探究了2LiBH4-Li3AlH6體系的放氫機理。研究表明，四組復合體系以2LiBH4-Li3AlH6體系的放氫動力學性能和放氫熱力學性能最優，該體系在實驗條件下，僅需150min就可實現完全放氫，且Li3AlH6和LiBH4的分解溫度分別降低到190℃和320℃。其放氫過程分兩步進行：第一步為Li3AlH6的分解；第二步為LiBH4和產物Al反應，并伴隨LiBH4的自分解。

2LiBH4-Li3AlH6體系具有較高的儲氫量，較優的放氫性能，是很有潛力的儲氫體系，其吸放氫循環性能有待進一步研究。在今后的研究中，可以考慮催化改性、離子替換、納米約束等方法進一步降低LiBH4的放氫溫度。

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