[发明专利]用于产生氢气并对其进行低温处理的铝基纳米电镀组合物

说明书

描述了由超细或纳米级细小微结构组成的合金，当与水或任何含水的液体反应时，这些合金将在室温或更高温度下自发地快速产生氢气。此处称为铝基纳米电镀合金的这些金属将具有包括但不限于按需产生能量的应用。这些合金可主要由铝和其他金属组成，例如锡、铋、铟、镓、铅等和/或碳，以及它们的混合物和合金。这些合金可加以处理，以用于合成粉末原料，其中每个粉末粒子都将具有上述特征。这些粉末可以它们的固有形式加以使用，或者使用市售技术加以固结，以便用于制造有用的功能性部件。

相关应用的交叉参考

本专利申请要求在2017年7月24日提交的标题为“用于产生氢气的铝基纳米电镀合金”的美国临时专利申请号62/536,143的权益。所述临时专利申请的全部内容，包括其中引用的所有附件和文件，特此以引用的方式并入本文中。

政府利益

本文描述的实施方案可由或者为美国政府制造、使用和/或许可，无需就此支付任何特许权使用费。

背景

技术领域

本文中的实施方案一般与用于产生氢气的铝合金和铝基微结构相关。

氢气具有最高的单位质量能量密度值之一，为142MJ/kg，这等同于39.4kWh的燃烧能量。凭借如此大的能量含量，氢气可用于发电。氢气可在汽车、房屋中使用，用于便携式电源，以及用于许多军事和民事应用。以下任何过程均可产生氢气：生物质气化、生物质衍生的液体形成、天然气蒸汽转化、煤炭气化、热化学水分解、电解、光生物和微生物生物质转化(https://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production)。

产生氢气的另一种方法是使某些化学化合物、金属及合金与甲醇、水等某些溶剂反应。铝按照以下公式与水反应产生氢气：

2Al+6H₂O＝2Al(OH)₃+3H₂+热量

2Al+4H₂O＝2AlOOH+3H₂+热量

2Al+3H₂O＝Al₂O₃+3H₂+热量

但通常必须使溶剂处于高温下，此外还要使水为碱性(例如氢氧化钠和氢氧化钾)或酸性(例如盐酸和硝酸)才能发生产生氢气的反应。通常还必须使用催化剂，例如昂贵的铂金、镓金属和/或外部施加的电力等。此外，许多化学药品和溶剂有剧毒，例如甲醇、硼氢化钠、氢化锂等，反应副产物也是如此。

众所周知，在某些条件下，铝能够在室温下与水反应，产生氢气和无害的氧化铝/氢氧化物或其某种组合。该反应释放的热量相当于每千克铝4.3kWh的能量。1kg铝与水反应产生111g氢气，这相当于4.4kWh的燃烧能量。因此，从可在多种应用中利用的铝-水反应中能够释放出每千克铝共8.7kWh的能量。几乎在任何地方都很容易获得水，因此在许多情况下不必携带水，从而消除了相关的能量密度惩罚。但如果需要携带水，每千克Al+水的总势能将为4.3kWh。对于某些应用，例如燃料电池应用，可回收50％的水；在这种情况下，可获得的总势能为5.8kWh/kg。汽油和甲醇这两种最常见燃料的能量密度分别为每千克12.8kWh和5.5kWh。Al(有水和/或无水)的重量能密度与甲醇类似，是汽油的33％-66％。在某些情况下，考虑体积能量密度比重量分析更为重要。在这方面，铝在非核燃料中具有最高的体积能量密度-是汽油的两倍以上，是甲醇的五倍以上。如果可获得水，铝是通过产生氢气发电的非常理想的选择。如果考虑所需水的总体积，则铝的体积能量密度为汽油的65％。但在燃料电池技术中使用氢气时，50％的水可回收利用(即去除一半的水)，于是其能量密度约等于汽油的能量密度。当前，甲醇是为燃料电池提供氢气的主要选择。从铝产生的氢气可代替甲醇。因此，本发明的目标是使用铝和水或含水液体(例如废水、中水、尿液或含水的其他任何液体)来产生氢气。