CN104451214B - 一种制氢铝合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种制氢铝合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga‑In‑Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：92.5％‑98.5％，Bi：0.5％‑2.5％，Ga‑In‑Sn三元合金：1％‑5％，(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga‑In‑Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1‑2小时；(3)在模型中浇注自然冷却得到制氢铝合金；本发明降低成本，通过预合成方法，提高合金材料的均匀性，以提高材料制氢效率。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，特别涉及一种制氢铝合金的制备方法。
背景技术
氢气是一种理想的绿色清洁能源，并且氢能拥有非常高的燃烧热值，燃烧1kg氢气所产生的热量，相当2.4kg甲烷或3kg汽油燃烧所产生的热量。氢能源无疑是人类最理想的能源之一。目前氢气的制备方法有很多种，最广泛的有分解水制氢、微生物制氢、铝水反应制氢，但都存在一些不足之处：
分解水制氢包括：1.电解水制氢：为了提高电解效率，电解水要在纯水中加入电解质来增大水的导电性，电解水制氢一般都是在碱性溶液中进行。传统的电解水制氢技术对电极与电解槽的腐蚀性十分大，并且电耗量大，电流效率较低，一般只有75％-85％。2.光催化分解水制氢：辐射光波的波长必须小于1000nm。由于实际分解时存在过电压，一般需要紫外线(<380nm)等能量较高的短波才能分解水。但是这部分光在太阳能中所占比例只有3％-4％，要提高太阳能的使用效率，就必须开发出能适应更长波长的半导体材料。3.热化学分解水制氢：热化学分解水则是一种利用热能的方法。但是完全以热能分解纯水需要高达4000℃的温度，这在实际生产中是很难实现的。
微生物制氢：利用生物质中的微生物代谢过程(光合作用、厌氧发酵)来生产氢气。生物质能具有分布广、储量大、可再生、成本低的优点，但是所涉及的工艺和设备都比较复杂，必须依托于专门的制氢工厂才能生产出氢气，且对环境的依赖性很强。
铝水反应制氢：铝具有价格低廉、储量丰富、保存性好等优点，而且水解反应产物Al(OH)3对环境无污染，且可回收利用，是水解产氢的首选材料，但是纯铝与水反应很容易在表面生成一层致密氧化铝保护膜，阻碍铝进一步与水反应。尽管近年来科研工作者进行了相关铝水制氢合金的制备，但用了大量Ga、In等比较贵重的原料，制备成本较高。另外，所合成的合金材料成分不均匀，导致制氢效率有所下降。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制氢铝合金的制备方法，在纯铝中引入多元低熔点合金Ga、In、Sn、Bi，铝合金内部少部分的Ga、In、Sn、Bi元素在析出α-Al相的过程中与Al形成了固溶体，大部分Ga、In、Sn、Bi元素则以偏析相的状态存在于α-Al相晶界处，破坏Al2O3氧化膜，同时提高铝的电极电位，降低成本，另外，通过预合成方法，提高合金材料的均匀性，以提高材料制氢效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种制氢铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：92.5％-98.5％，Bi：0.5％-2.5％，Ga-In-Sn三元合金：1％-5％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度15～20℃/min，加热至710-780℃熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1-2小时；
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
发明的效果：利用金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金高熔融工艺，在铝水反应中可破坏Al2O3氧化膜的同时提高铝的电极电位，提供了一种能持续与水进行反应的制氢铝合金。由于该材料成分可调性大，合成工艺简单、合成过程易于控制、结构均匀致密，产氢率高，成本较低，拓宽了该材料在制氢领域的应用范围。
附图说明
图1为Bi加入量0.5％、三元合金加入量1％的试样的物相分析结果，横坐标为衍射角，纵坐标为衍射峰强度，表明该材料基体相由Al主晶相及少量的GaIn3Sn金属间化合物组成。
图2为Bi加入量1％、三元合金加入量2％的试样的形貌图，由图可以看出，低熔点合金以偏析相的状态存在于铝合金中。
图3是纯铝与本发明所采用的铝合金的制氢效果对比图，其中图3A是纯铝与水混合示意图，图3B是Bi加入量1.5％、三元合金加入量3％的铝合金与水混合示意图。
由图可看出制氢铝合金与水反应十分剧烈。
具体实施方式
实施例一
本实施例包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：98.5％，Bi：0.5％，Ga-In-Sn三元合金：1％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度15℃/min，加热至710℃熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1小时；
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在边长为8cm的正方形模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
参照图1为Bi加入量0.5％、三元合金加入量1％的试样的物相分析结果，横坐标为衍射角，纵坐标为衍射峰强度，可看出材料基体相由Al主晶相及少量的GaIn3Sn金属间化合物组成。
实施例二
本实施例包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：97％，Bi：1％，Ga-In-Sn三元合金：2％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度20℃/min，加热至750℃左右熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1小时。
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在边长为8cm的正方形模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
参照图2为Bi加入量1％、三元合金加入量2％的试样的形貌图，可以看出，铝合金的表面存在裂纹，低熔点合金以偏析相的状态存在于铝合金表面。
实施例三
本实施例包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：95.5％，Bi：1.5％，Ga-In-Sn三元合金：3％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度18℃/min，加热至780℃熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1.5小时。
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在边长为8cm的正方形模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
参照图3A是纯铝与水混合示意图，图3B是Bi加入量1.5％、三元合金加入量3％的铝合金与水混合示意图。由图可看出纯铝与水在常温下几乎不反应，而制氢铝合金与水混合，水面很快变浑浊，反应十分剧烈。
Claims (4)
1.一种制氢铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：92.5％-98.5％，Bi：0.5％-2.5％，Ga-In-Sn三元合金：1％-5％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度15～20℃/min，加热至710-780℃熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1-2小时；
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
2.根据权利要求1所述的一种制氢铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：98.5％，Bi：0.5％，Ga-In-Sn三元合金：1％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度15℃/min，加热至710℃熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1小时；
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在边长为8cm的正方形模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种制氢铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：97％，Bi：1％，Ga-In-Sn三元合金：2％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度20℃/min，加热至750℃左右熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1小时；
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在边长为8cm的正方形模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
4.根据权利要求1所述的一种制氢铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯度大于99％的金属Al锭、Bi锭以及Ga-In-Sn三元合金按配比准确称量配料，Al：95.5％，Bi：1.5％，Ga-In-Sn三元合金：3％，其中三元合金中Ga-In-Sn质量百分含量比为13:65:22；
(2)将步骤(1)中所称量的金属Al锭置于坩埚中，在高温炉内保持升温速度18℃/min，加热至780℃熔化，再将对应比例的Bi锭及Ga-In-Sn三元合金倒入，并同时用搅拌棍把合金熔体搅拌均匀，并保温1.5小时；
(3)将步骤(2)所得铝合金熔液进行除渣并在边长为8cm的正方形模型中浇注，所得材料自然冷却即为制氢铝合金。
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