CN105316530A - 一种用于制备氢气的铝基合金 - Google Patents

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Abstract

为了克服用铝粉制备氢气遇到的容器腐蚀，铝粉老化和存储困难等问题，本发明提供了一种用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：所述铝基合金由91wt.％～95.5wt.％的Al，3wt.％～6wt.％的低熔点金属及1.5wt.％～3wt.％的防氧化金属组成；低熔点金属为Ga、In和Sn；防氧化金属为Mg和Zn之一种或两种。该铝基合金能与水在常温下反应，无需添加腐蚀介质。且该铝基合金无需特殊存储，方便实用。氢气的生成与否以及产生氢气量的多少主要通过通入放有铝基合金的气瓶中水量来控制。

Description

一种用于制备氢气的铝基合金
技术领域
本发明属于高纯氢气的制备领域，特别提供一种用于制备氢气的铝基合金及制备氢气的便携装置，该装置能解决缺少氢气供应的用户获取氢气困难的问题。
背景技术
氢气具有很高的燃烧值，由于燃烧产物无污染，所以氢气可作为清洁燃料使用[1-3]。在石油化工领域氢气可作为原料用于制备各种化工产品；而在电子工业领域包括：晶体生长工艺，外延工艺，化学气相沉积，真空材料和器件的制备等均需要高纯氢气作为还原或保护气体。但是氢气属于危险品，不易运输和存储[3]。对于用量较小，使用频繁，但附近没有氢气供应的用户要获取氢气就显得比较困难。所以，如果能现场制备并获取氢气就显得非常重要。这不但能及时满足用户对氢气需求，同时也解决了氢气运输和存储困难的问题。热力学分析表明铝可与水发生放热反应并释放大量氢气。但在通常情况下由于铝表面存在氧化膜，铝几乎不能与水反应[1,3]。如果铝能持续与水反应，便能非常方便地得到氢气。目前，为了解决铝能与水持续反应的问题，人们采用往往采用在水中添加腐蚀性介质[4]，或将铝粉与盐或金属混合后球磨的方法来促进铝水反应[5]。但这也相应带来诸如：容器腐蚀，铝粉老化和存储困难等问题[7]。将铝与少量低熔点金属合金化制成块体合金后，铝即能与水反应。这是由于分布在铝晶粒表面的低熔点金属在铝表面形成了熔点较低的界面相(熔点接近10℃)[1,6]。这些液态金属在阻碍铝表面氧化的同时，又为铝提供了扩散通道，使得铝与水能够持续反应并释放氢气[1,6]。由于铝水反应的温度低，另外铝水反应为放热反应，所以铝水反应系统无需外界提供额外能量。
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发明内容
为了克服用铝粉制备氢气遇到的容器腐蚀，铝粉老化和存储困难等问题，本发明提供了一种用于制备氢气的铝基合金，该铝基合金能与水在常温下反应，无需添加腐蚀介质。且该铝基合金无需特殊存储，方便实用。氢气的生成与否以及产生氢气量的多少主要通过通入放有铝基合金的气瓶中水量来控制。
本发明具体提供了一种用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：所述铝基合金由91wt.％～95.5wt.％的Al，3wt.％～6wt.％的低熔点金属及1.5wt.％～3wt.％的防氧化金属组成；低熔点金属为Ga、In和Sn；防氧化金属为Mg和Zn之一种或两种。
本发明所述用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：Ga、In和Sn优选的重量比为Ga：In：Sn＝(2～3.5)：(0.5～1.5)：(0.5～1)，优选为Ga：In：Sn＝3.5：1.5：1。
本发明所述用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：所述铝基合金主要包含Al固溶体和In3Sn两相。
本发明还提供了所述用于制备氢气的铝基合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、中间合金AlxR1-x的制备：根据合金成分称量配合金，其中x＝20wt.％～70wt.％，R为低熔点金属；合金采用真空感应炉熔炼，感应炉真空度在1×10-3～4×10-3Pa，熔炼温度为750～900℃、每次熔炼时间不低于30分钟；在熔炼过程中液态合金采用电磁搅拌技术进行搅拌，在合金熔化后10～30分钟内，在惰性气体保护气氛下，将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固；
(b)、多元Al合金的制备：将制备好的中间合金、Al以及强化Al的合金元素根据合金成分称量配合金，合金采用常压电阻炉熔炼，熔炼温度为750～900℃、每次熔炼时间不低于30分钟，熔炼前合金表面盖上盐类覆盖剂，在合金完全熔化后10～30分钟内，将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固。
本发明所述铝基合金可以用于制备氢气，也可用于制备崩解压裂球。
本发明还提供了一种利用铝水反应制备氢气的便携装置，其特征在于：所述装置由本发明所述铝基合金、气瓶和金属网组成，其中金属网设于气瓶内部，用于承托铝基合金。
本发明所述利用铝水反应制备氢气的便携装置，由铝基合金1、气瓶3、金属网4和压力表8构成；其中气瓶3的上部分别设有入水口5和排气口6，下部设有排水口7，外部设有压力表8，用于监控气瓶3内压力；金属网4设于气瓶3的内部，用于承托铝基合金1。使用时，从入水口5向气瓶3内通入水2，待水位超过金属网4与铝基合金1接触时，气瓶3中便有氢气产生，反应生成的氢气从排气口6排出，通入水量越多生成的氢气量越多。待不需要氢气时，将部分水排至低于金属网4的位置即可，氢气量通过压力表8的显示获得。该装置用铝基合金和水为制备氢气的原料，氢气在常温下即可生成，且所采用的铝基合金及其产物无污染，合金及氢气制备工艺简单，装置便于携带。
附图说明
图1利用铝水反应制备氢气的便携装置结构示意图。
图2富铝合金Al92(Ga3In2Sn1)6Mg2和Al95(Ga2In0.5Sn0.5)3Zn2在室温为23℃时的铝水反应曲线。
具体实施方式
本发明实施例中采用附图1所示便携装置制备氢气，该装置由铝基合金1、气瓶3、金属网4和压力表8构成；其中气瓶3的上部分别设有入水口5和排气口6，下部设有排水口7，外部设有压力表8，用于监控气瓶3内压力；金属网4设于气瓶3的内部，用于承托铝基合金1。使用时，从入水口5向气瓶3内通入水2，待水位超过金属网4与铝基合金1接触时，气瓶3中便有氢气产生，反应生成的氢气从排气口6排出，通入水量越多生成的氢气量越多。待不需要氢气时，将部分水排至低于金属网4的位置即可，氢气量通过压力表8的显示获得。使用该简易便携装置，可以在室温下方便的制备氢气。
实施例1
按合金的质量比Al70(Ga15In10Sn5)30准确称取各金属，采用25公斤真空感应炉熔炼合金，真空度在4×10-3Pa，熔炼温度为800℃、每次熔炼时间为30分钟。采用电磁搅拌技术搅拌液态合金10分钟。在氩气保护气氛下，将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固。按合金的质量比Al92(Ga3In2Sn1)6Mg2配制合金，合金采用常压电阻炉熔炼，熔炼前合金表面盖上覆盖剂NaCl。熔炼温度为750℃，每次熔炼时间为30分钟。合金完全熔化10分钟后，将液态合金浇铸到水冷铜模具中。
将所得合金放入图1所示装置中，加水，用排水法测量合金与水的反应速度：称取0.5g合金样品，在室温下放入自来水中，水温用水浴控制，计量产生氢气的体积，测试结果见表1，铝基合金与水反应曲线见图2。
实施例2
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Mg，制备Al95(Ga2In0.5Sn0.5)3Mg2合金。测量室温时合金与水的反应速度(表-1)。该合金较实施例1中合金的反应速度略慢，转化率略低。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
实施例3
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Mg，制备Al92(Ga3.5In1.5Sn1)6Mg2合金。测量室温时合金与水的反应速度(表-1)。该合金与实施例1中合金的反应速度和转化率接近。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
实施例4
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Mg，制备Al93(Ga2In2Sn1)5Mg2合金。测量室温时合金与水的反应速度(图-1)。该合金较实施例1中合金的反应速度略慢，但转化率依然较高。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
实施例5
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Zn，制备Al92(Ga3In2Sn1)6Zn2合金。测量室温时合金与水的反应速度(表-1)。该合金较实施例1中合金的反应速度略快，转化率较高。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
实施例6
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Zn，制备Al95(Ga2In0.5Sn0.5)3Zn2合金。测量室温时合金与水的反应速度(表-1)。该合金较实施例1中合金的反应速度略慢，转化率较高。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
实施例7
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Zn，制备Al92.5(Ga3.2In1.8Sn1)6Zn1.5合金。测量室温时合金与水的反应速度(图-1)。该合金较实施例1中合金的反应速度略慢，但转化率较高(大于95％)。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
实施例8
重复实施例1的过程，先按合金的质量比Al60(Ga20In10Sn10)40准确称取各金属制备中间合金，再称取Mg和Zn，制备Al93(Ga2In2Sn1)5Zn1Mg1合金。测量室温时合金与水的反应速度(图-1)。该合金较实施例1中合金的反应速度略慢，转化率较高。合金在空气中放置一个月未见明显腐蚀(25度，湿度40％)。
对比例1
重复实施例1的过程，制备Al90In5Sn3Mg2合金。测量室温为25℃时合金与水的反应速度，结果见表1。由于没添加Ga，合金不与水反应。
对比例2
重复实施例1的过程，制备Al90Ga5Sn3Zn2合金。测量室温为25℃时合金与水的反应速度，结果见表1。由于没添加In，合金与水的反应慢，转化率较低。
对比例3
重复实施例1的过程，制备Al90Ga5In3Zn2合金。测量室温为25℃时合金与水的反应速度，结果见表1。由于没添加Sn，合金与水的反应慢，转化率较低。
对比例4
重复实施例1的过程，制备Al90(Ga3In2Sn1)6Mg4合金。测量室温为25℃时合金与水的反应速度，结果见表1。由于添加Mg过多，合金与水的反应慢。
对比例5
重复实施例1的过程，制备Al97(Ga2In0.5Sn0.5)3合金。测量室温为25℃时合金与水的反应速度，结果见表1。合金的反应速度较快，转化率也较高。但合金在空气中放置一个月后腐蚀明显(25度，湿度40％)。
对比例6
重复实施例1的过程，制备Al96(Ga1In0.5Sn0.5)2Zn1Mg1合金。测量室温为25℃时合金与水的反应速度，结果见表1。由于Ga，In，Sn添加量少，合金与水的反应慢，并且转化率较低。
表1合金性能测试结果
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：所述铝基合金由91wt.％～95.5wt.％的Al，3wt.％～6wt.％的低熔点金属及1.5wt.％～3wt.％的防氧化金属组成；低熔点金属为Ga、In和Sn；防氧化金属为Mg和Zn之一种或两种。
2.按照权利要求1所述用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：Ga、In和Sn的重量比为Ga：In：Sn＝(2～3.5)：(0.5～1.5)：(0.5～1)。
3.按照权利要求2所述用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：Ga、In和Sn的重量比为Ga：In：Sn＝3.5：1.5：1。
4.按照权利要求1～3任一所述用于制备氢气的铝基合金，其特征在于：所述铝基合金主要包含Al固溶体和In3Sn两相。
5.一种按照权利要求1～3任一所述用于制备氢气的铝基合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、中间合金AlxR1-x的制备：根据合金成分称量配合金，其中x＝20wt.％～70wt.％，R为低熔点金属；合金采用真空感应炉熔炼，感应炉真空度在1×10-3～4×10-3Pa，熔炼温度为750～900℃、每次熔炼时间不低于30分钟；在熔炼过程中液态合金采用电磁搅拌技术进行搅拌，在合金熔化后10～30分钟内，在惰性气体保护气氛下，将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固；
(b)、多元Al合金的制备：将制备好的中间合金、Al以及强化Al的合金元素根据合金成分称量配合金，合金采用常压电阻炉熔炼，熔炼温度为750～900℃、每次熔炼时间不低于30分钟，熔炼前合金表面盖上盐类覆盖剂，在合金完全熔化后10～30分钟内，将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固。
6.一种按照权利要求1所述铝基合金的应用，其特征在于：所述铝基合金用于制备氢气，或用于制备崩解压裂球。
7.一种利用铝水反应制备氢气的便携装置，其特征在于：所述装置由权利要求1～3任一所述铝基合金、气瓶和金属网组成，其中金属网设于气瓶内部，用于承托铝基合金。
8.按照权利要求7所述利用铝水反应制备氢气的便携装置，其特征在于：所述装置由权利要求1～3任一所述铝基合金(1)、气瓶(3)、金属网(4)和压力表(8)构成；其中气瓶(3)的上部分别设有入水口(5)和排气口(6)，下部设有排水口(7)，气瓶(3)与压力表(8)相连；金属网(4)设于气瓶(3)的内部，用于承托铝基合金(1)。
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