CN101508422A - 一种铝锂合金裂解水制氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种使用铝锂合金裂解水制备氢气的方法。以铝锂合金作为制氢的原料，使之与纯水或水溶液中的水反应，快速产生氢气。铝锂合金的成分按质量百分含量为：0.5－40wt％的金属锂，合金的粒度不限；合金中的锂极大的提高了铝与水反应的活性，利用此合金制氢的适应范围广，能在各种温度的水或水溶液中产生氢气，利用此合金制氢，氢气的产率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用铝锂合金裂解水制备氢气的方法，属于氢能制备领域。
背景技术
氢气燃烧没有任何有害产物，是一种环境友好型的能源。随着人们对生态环境的关注，氢气作为一种燃料的开发与利用受到极大的关注。同时全世界电力需求增加，温室气体排放控制严格以及原油储存量的下降，也促使人们开始考虑由现行的原油经济向氢能经济转变。对于可持续发展来说氢能经济也是一个长期对环境友好的选择。在过去的十几年里这种趋势正变得越来越明显，对洁净能源的重视将直接促使氢能的大规模应用。氢能研究的已经取得了很大的发展，如氢燃料电池和氢能动力汽车。尽管这些研究向无污染社会的进步取得了里程碑式的发展，但是要想更容易和更经济的获得氢气需要许多的研究。因此利用廉价简单的方法制备氢气正变得日益重要。氢能的大规模实际应用还必须考虑到氢气的安全储存和运输。
一般获得氢气的途径一是通过电解水获得，另外就是通过裂解矿物原料获得，如天然气或甲醇。这些方法要么比较复杂，要么就是会产生二氧化碳等有害残留物，而且还必须有足够的矿物原料来支持。同时制备出的氢气需要压缩储备与运输，这就为安全带来了隐患。
氢能的真正安全使用应该是实时制备与使用，减少中间储存与运输的环节。储氢材料的开发与利用能使氢能得到较为安全储备与运输。但是现在的储氢材料很难做到很高的储氢量，这就限制了其大规模的应用。自然界中有少数储存有大量氢的物质如碳氢化合物和水。但是只有水才是真正的无污染的氢能的来源。直接从水中获得氢气将是一个很好的研究方向。但是传统的电解水制备氢工艺复杂，与实时制备与使用的理念相悖。如何通过金属及合金或金属化合物与水反应制备氢气成为大家研究的热点。因为这个方法解决了氢能安全运输与储存的问题，将以前的储存运输高能压缩氢气转变为运输制氢反应剂，其安全性能大大提高。
有人研究利用金属及其合金化合物制备氢气。如用碱金属能直接和水发生反应产生氢气，制氢速度快，产氢率高，且能一直进行。但是反应后水溶液的碱性太强，具有很强的腐蚀性。且碱金属过于活泼，不易于保存。应用于实际的制备氢气不可行。于是有人利用NaBH4或KBH4这类化合物与水反应制备氢气。尽管这类化合物的产氢率比较高，但是其本身的制备工艺比较复杂，且须以液体形式储存在高pH值条件下；另外其水解制氢反应还需用到贵金属作为催化剂。这些条件也极大的限制其在实际中的应用。
金属铝性质活泼且储存量丰富，利用金属铝与水反应制氢成为一种很有前景的氢能储存与运输方式。但是金属铝反应是表面易形成惰性氧化膜，阻碍反应进行。于是有人将氧化铝或氢氧化铝作为添加剂与金属铝制备成金属陶瓷，再与水反应。此方法确实提高了铝与反应的活性，但是其制氢产率不高。当添加剂达到90％时，1g铝才产生870mlH2，与理论量的1244ml有一定的距离。也有人考虑用合金与水反应制备氢气，如美国普渡大学的Woodall教授利用铝镓合金分解水制备氢气。铝镓合金熔点低，易制备，镓的加入阻碍了铝表面惰性膜的形成，极大的提高了铝的反应活性，所以方法一经提出就在国际国内都引起了广泛关注。但是此工艺用到了价格昂贵的金属镓，且镓只对铝裂解水制氢起到催化作用，本身不能裂解水，导致有效质量的合金制氢量下降。
发明内容
为了克服现有制氢方法的不足，本发明提供一种利用铝锂合金裂解水制备氢气的方法。
一种铝锂合金裂解水制氢的方法，以铝锂合金为原料，与水或水溶液反应快速产生氢气。铝锂合金中金属锂的含量为0.5-40wt％，其余为铝，也可以含一定量杂质元素，而且任何粒度的合金都能有效反应制氢。
因为铝锂合金具有很高的反应活性，与水接触就能发生如下反应：
2Al+3H2O＝Al2O3+3H2↑
2Li+2H2O＝2LiOH+H2↑
Al2O3+2LiOH＝2LiAlO2+H2O
利用铝锂合金裂解水制备氢气的产率很高。其中的产氢量几乎等于理论值，产氢率可达到100％，不存在未参加反应的铝。另外铝锂合金具有很高的理论氢质量密度(产出氢气量/合金质量+参与反应水质量)，如当合金中金属铝锂质量比为4时，理论氢质量密度为5.14％，其值随合金中金属锂含量增加而增加。
在锂含量较高的情况下，合金的反应活性很高，裂解水的速率很快。因此可以通过改变合金中铝锂含量来调节制氢速率。该合金可以裂解各种形式存在的水，包括纯水、盐溶液水、有机溶液水、酸碱溶液水，甚至连海水(含氯化钠，氯化钾，氯化钙，氯化镁)，江河水，人类的尿液(含尿酸、尿素、水、无机盐和葡萄糖)都行。由于此制氢反应过程会释放出大量的热，冷冻的水或水溶液也能与该铝锂合金反应而被裂解生成氢气。因此铝锂合金裂解水制氢反应对水或水溶液及其条件具有广泛的适应性，可用于采用氢作能源的氢动力交通工具、发电机、厨房灶具、热水器和空调机等。
具体实施方式
实施例1
先配置33.2g含铝80wt％，含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的去离子水；反应进行5分钟，产生氢气43.8L。
实施例2
先配置33.2g含铝80wt％，含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为2.5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入0℃的去离子水；反应进行10分钟，产生氢气43.6L。
实施例3
先配置35.0g含铝90wt％，含锂10wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的去离子水；反应进行15分钟，产生氢气44.7L。
实施例4
先配置32.0g含铝90wt％含锂10wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为7mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入36℃的去离子水；反应进行16分钟，产生氢气41.0L。
实施例5
先配置34.5g含铝60wt％含锂40wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为2mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的去离子水；反应进行2.5分钟，产生氢气48.11。
实施例6
先配置36.0g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的乙醇溶液；反应进行15分钟，产生氢气30.5L。
实施例7
先配置35.5g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的NaCl(5％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气46.8L。
实施例8
先配置35.4g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的MgCl2(30％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气46.7L。
实施例9
先配置35.6g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入30℃的Na2SO4(10％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气46.95L。
实施例10
先配置35.5g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的CaCl2(35％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气46.8L。
实施例11
先配置35.5g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入36℃的NaCl(25％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气46.8L。
实施例12
先配置35.7g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的KCl(20％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气47.1L。
实施例13
先配置35.5g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的K2SO4(5％)溶液；反应进行5分钟，产生氢气46.8L。
实施例14
先配置37.0g含铝98wt％含锂2wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为3mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的纯水；反应进行30分钟，产生氢气46.3L。
实施例15
先配置10g含铝85wt％含锂15wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为3mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的纯水；反应进行4分钟，产生氢气13.0L。
实施例16
先配置32g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入98℃的纯水；反应进行3分钟，产生氢气42.2L。
实施例17
先配置35.5g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，迅速加入从零下20度冰柜中取出的冰块；随着反应进行冰不断溶解，反应进行34分钟后，产生氢气46.7L。
实施例18
先配置33.2g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；先向反应器中注入25℃水，再将合金颗粒加入；反应进行3分钟，产生氢气43.6L。
实施例19
先配置33.2g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的天然海水；反应进行3分钟，产生氢气43.6L。
实施例20
先配置32.1g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的配制的人工尿液；反应进行3分钟，产生氢气42.3L。
实施例21
先配置33.2g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入30℃的河水(丰水期的湘江水，较浑浊，使用时摇匀)；反应进行3分钟，产生氢气43.58L。
实施例22
先配置32g含铝99.5wt％含锂0.5wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为1cm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的0.2mol/L的NaOH溶液；反应进行8分钟，产生氢气39.8L。
实施例23
先配置34.5g含铝95wt％含锂5wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为7mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入20℃的0.1mol/L的HCl溶液；反应进行3分钟，产生氢气43.5L。
实施例24
先配置20g含铝99wt％含锂1wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入30℃的0.15mol/L的H2SO4溶液；反应进行3分钟，产生氢气24.9L。
实施例25
先配置33.2g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为6.5mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入28℃的0.25mol/L的HNO3溶液；反应进行3分钟，产生氢气43.62L。
实施例26
先配置35g含铝80wt％含锂20wt％的铝锂合金，反应前先将合金破碎成粒度直径大约为9mm的颗粒；将合金颗粒置于反应器中，通过分液漏斗注入25℃的0.2mol/L的KOH溶液；反应进行3分钟，产生氢气46.1L。
Claims (3)
1、一种铝锂合金裂解水制备氢气的方法，其特征在于：以铝锂合金作为制氢的原料，使之与水反应，快速产生氢气，铝锂合金中锂的质量百分含量为0.5-40wt％。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的水为纯水或水溶液
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述水溶液为盐溶液、酸溶液或碱溶液。
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