[发明专利]一种用于水解制备高纯氢气的活性富铝合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金领域，特别提供了一种用于水解制备高纯氢气的活性富铝合金。

背景技术

随着化石能源的日益减少及环境的日益恶化，人类迫切需要找到环境友好、可持续发展的新能源。氢由于具有清洁、蕴藏量大及燃烧值高等特点，被公认为是未来的理想能源。目前工业上采用的化石燃料制氢和电解水制氢方法不仅能耗大、效率低，且污染严重。一些新技术如：光水解和铝水解，产氢率低；而采用硼氢化钠溶液制氢，则成本高昂。故上述技术推广和应用受到很大限制。

Al及其合金通过水解反应可产生氢气，是一种非常有前景的存储和运输能量的方式。由于Al资源丰富，水解产氢量大，所以该方法很受青睐。从热力学角度讲，单质Al可与水发生三种放热反应并产生氢气，表达式为：

      (1)

      (2)

          (3)

其中，、、分别为拜耳石、勃姆石和三氧化铝。但由于Al极易在表面形成一层致密的氧化膜，使得单质Al即使在极高温度条件下也不能与水反应。所以围绕如何破坏Al表面的氧化膜并促使Al与水发生反应这一课题，学者们开展了大量工作。目前大都选择Al粉为原料，有人在Al粉和水的反应体系中直接加入各种碱、盐腐蚀介质来促使水解反应进行而产生氢气。这种方法产氢率只有4x10^-7～2x10^-4 gH₂/s/gAl (反应温度为50^oC)，且副产物污染环境。利用球磨在单质Al粉中加入一些低熔点元素也可用来制氢，但如要得到高产氢率和转化率，需要增加低熔点元素的含量。另外，粉体不易存储也是该方法的致命缺陷。

发明内容                                       

本发明的目的在于提供一种用于水解制备高纯氢气的活性富铝合金及其制备方法，以提高富铝合金的产氢率及铝的转化率，减低合金的制备成本，为水解法制备高纯氢气提供可行的实用化途径。

本发明提供一种用于水解制备高纯氢气的活性富铝合金，其特征在于：该合金由Al、Ga、In、Sn四种元素组成，且包含Al固溶体和GaIn₃Sn两相，其具体的化学式为Al_x(Ga_uIn_vSn_w)_1-x，其中，Al的重量百分比x 为55%~95%，低熔点金属Ga、In、Sn的重量百分比u:v:w=6:3:1，本发明中选用该配比主要是为了在Al晶界上形成大量的弥散分布的低熔点GaIn₃Sn相。

由于GaIn₃Sn熔点只有约11℃，即在室温为液体，然而该相对于Al的水解反应是至关重要，其主要有以下作用：（1）GaIn₃Sn相包覆在Al晶粒上可有效阻止Al的氧化；（2）被GaIn₃Sn包覆的Al利用GaIn₃Sn 为介质与水持续反应，并且这部分Al的表面始终新鲜；（3）GaIn₃Sn 相能促进未被覆盖的Al与水持续反应。通常情况下Al与水持续反应后会在Al晶粒上形成氧化膜，并阻止Al与水持续反应，但由于被GaIn₃Sn包覆的Al与水可持续反应并在反应表面产生强烈的对流和扰动，使得Al晶粒上形成的氧化膜疏松，与Al表面接合较弱，从而使氧化膜极易脱落，露出的新鲜Al便可与水继续反应。

本发明提供的用于水解制备高纯氢气的活性富铝合金的具体制备方法为，首先，采用真空感应炉熔炼合金至液态，且其真空度为10^-2~10^-3 Pa；然后，采用电磁搅拌技术搅拌液态合金，再将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固，冷却速度控制在10¹~10³℃/s，制得合金锭子的直径小于8 cm，以保证合金的晶粒度细小及GaIn₃Sn 相的分布均匀。