液相分离型Al基水解制氢复合粉体的设计、制备及其性能研究

The main academic thinking of this project is the integration of design and experiment. Based on the material design, the Al-based hydrolysis hydrogen generation composite powders with high hydrolysis activity and oxidation resistance properties are prepared by using the properties of liquid phase separation. By making use of the experimental data of the phase equilibria and the related information of phase diagrams in the literatures, the thermodynamic database of liquid-phase-separated Al-Bi-Sn-Zn-Cu-Fe-Co-Ni multi-component system is established. The microstructures of Al-based composite powders are designed based on the composition and temperature ranges of stable miscibility gap of liquid phase obtained from the calculated phase diagrams. Afterwards, the composite powders with different degree of coating are prepared by the gas atomization technique. With studying the effect of some parameters such as the alloy composition, liquid volume fraction, the difference of interfacial energy on the morphology of solidification，the formation mechanism and control conditions of the composite powders can be revealed. Systematic investigation of the hydrolysis properties, oxidation resistance properties of the composite powders is carried out, and the hydrolysis reaction mechanism will also be studied. Finally, the Al-based hydrogen generation composite powders with high hydrolysis activity and oxidation resistance properties are developed.

本项目以设计和制备一体化为主要学术思想，在合金设计的基础上，利用液相分离的特性制备兼有高活性和高抗氧化性的Al基水解制氢复合粉体。首先基于实验测定的相平衡结果与文献报道的相图信息，建立液相分离型Al-Bi-Sn-Zn-Cu-Fe-Co-Ni多元系合金的热力学数据库。在此基础上，对液相分离发生的成分和温度范围进行预测，并计算两液相的体积分数以实现组织形态的设计。利用雾化制粉技术，制备不同包裹程度的Al基水解制氢复合粉体，并考察合金成分、液相的体积分数和两液相间的界面能差异等因素对复合粉体组织形态的影响，揭示复合粉体多种组织形态的形成机理及其控制条件。进而系统研究复合粉体的制氢性能、抗氧化性及其影响因素，揭示水解反应的机理，制备出兼有高活性和高抗氧化性的Al基水解制氢复合粉体材料。

本项目以设计和制备一体化为主要学术思想，利用液相分离的特性制备具有高活性和高抗氧化性的Al基水解制氢复合粉体。通过实验测定了Al-Sn-Fe、Al-Bi-Fe等8个三元系在不同温度时的相平衡，完善了部分Al基水解制氢合金多元体系的实验相图信息。采用CALPHAD方法，对Al-Sn-Co、Al-Sn-Fe等7个三元系进行了热力学优化和计算，通过结合Al基二元系热力学参数，充分考虑了热力学模型的统一性和热力学参数的兼容性，建立了Al-Bi-Sn-Zn-Cu-Fe-Co-Ni多元系热力学数据库。利用Al基多元系热力学数据库，计算不同合金液相分离发生的成分和温度范围以及液相的相分数与温度的关系，实现了复合粉体成分与组织形态的高效设计。.在合金设计的基础上，本研究利用雾化制粉法制备不同成分的Al-(Bi/Sn)、Al-Bi-(Sn/Zn)、Al-Bi-Sn-(Fe/Cu) 等Al基水解制氢复合粉体，确定了Al基水解制氢复合粉体的最佳制备技术，解明了不同包裹程度复合组织的形成机理。本研究测定了不同成分的复合粉体在不同水质和不同温度对其制氢性能的影响。通过对反应不同时间后的水解制氢产物的形貌、结构及成分进行分析，揭示了复合粉体在水解过程中的反应机理。将复合粉体在25℃和相对湿度为70%的恒温恒湿环境下放置不同时长后进行水解反应，Al-Bi-Sn基合金复合粉体在放置数天后仍具有优异的水解制氢性能，展现了良好的抗氧化性。本研究使用Al-(Bi/Sn) 基复合粉体水解反应产生的氢气供应给氢氧燃料电池，得到仅需2g便可使3W小风扇工作2h的Al-10Bi-10Sn wt% 三元合金复合粉体。本研究进一步探索了Al-Bi-Sn基合金粉体水解制氢产物的回收工艺，优化了各项回收工艺参数。同时，还进行了Al-Bi基合金粉水解制氢和相变储热的功能一体化研究，可为Al基合金复合相变储热材料的制备提供新的研究思路。