CN106829858A - 一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法，属于制氢技术领域。该方法以纳米多孔镁作为原始材料，与一定浓度的NaCl溶液发生反应，来快速制取氢气。其中，所用纳米多孔镁的孔隙率为60～80%，比表面积为10～30m2/g，NaCl溶液的浓度为5～10wt.%。本发明的制氢速率可达40ml/g·min，制氢量可达800ml/g，远远高于普通金属镁。本发明所用的制氢材料制备工艺简单，制备周期短，成本低，且不存在铝基制氢材料的钝化或团聚问题，无需添加任何合金元素，凭借自身的纳米多孔结构即具有很好的水解活性。

Description

一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法
技术领域
本发明涉及氢气制取技术领域，特别是指一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法。
背景技术
伴随化石能源消耗带来的能源危机及环境污染，氢能作为一种清洁、高效和可以循环使用的能源形式受到广泛关注。氢能是以氢气为载体的二次能源，不仅可以通过氢与氧的燃烧反应转化为热能，而且可以通过氢与氧的电化学反应转化为电能，为能量转化与供给提供了新的途径，即氢电源系统。该电源系统在诸多移动电源系统中得到了广泛的应用，如车载动力系统、电站、便携式电源以及潜艇动力源、单兵作战电源等。作为氢电源系统的核心燃料—氢，如何快速地制取及安全携带，成为发展的一个瓶颈。
目前，传统的制氢方法主要有：化石燃料制氢、水解制氢、生物制氢等(沈承,宁涛.燃料电池用氢气燃料的制备和存储技术的研究现状[J].能源工程,2011,01:1-7.)。传统法制氢不仅存在着工序繁琐、环境污染及制备成本高昂等问题，而且存在着与用氢脱节，即制备的氢气需要经过一系列储存和运输环节才能得到利用。而一种新的制氢方法——即制即用法，受到了人们的关注。例如，有专利采用铝水解的方法来制备氢气(孙立贤.一种Al-NaBiO3水解制氢用复合材料及其制备.中国：CN201210160229.2[P].2012-5-22.)。由于该专利采用了球磨方法来制备，不仅耗时长，成本高，且由于球磨过程中极易被污染，故该种铝基制氢材料实用性有待进一步确认。为解决上述专利的制备问题，有专利采用熔铸的方法，并且在铝基体中添加一定量的镓、铟、锡合金元素来改善其制氢性能(郭瑞.快速制氢剂.中国：CN201310287296.5[P].2013-7-10.)。其制备工艺是将金属铝及各种合金成分加热融化，混合均匀之后冷却到室温，形成块状合金。相比专利CN201210160229.2,其制备工艺得到简化，但由于添加了一定量的稀有金属，成本仍较高，且其以块体形式发生水解反应，故其制氢速率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法。
该方法将真空封装中的纳米多孔镁取出，迅速与NaCl溶液混合，即可制得氢气；其中，纳米多孔镁孔隙率为60～80％，比表面积为10～30m2/g，NaCl溶液的浓度为5～10wt.％，制取温度为25℃～40℃。
其中，纳米多孔镁采用物理气相沉积法(PVD)制备。
物理气相沉积法制备纳米多孔镁的具体步骤如下：
(1)真空条件下，将镁粉加热蒸发，形成镁蒸气；
(2)向镁蒸汽中通入低压气流，与镁蒸气混合；
(3)镁蒸气在不锈钢基底上沉积，形成纳米多孔镁。
其中，步骤(2)中低压气流为5Pa乙醇蒸汽。
利用该方法制备的纳米多孔镁既具有纳米镁的特点，又可以实现自支持，防止了纳米镁的团聚长大，便于携带和保存。
金属镁与水的析氢反应式如下：
反应式(1)：镁与水发生析氢反应，生成氢氧化镁和氢气。而一定浓度的NaCl溶液，起到加快反应的作用。其制氢速度快，可达40ml/g·min，明显优于没有多孔结构的金属镁。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明采用了一种新型材料——纳米多孔镁材料，利用金属与水反应的原理来制备氢气，并且采用NaCl溶液作为溶剂，是一种新的制氢方法。纳米多孔镁材料具有很高的孔隙率及比表面积，因此其制氢效率大大提高，尤其是与一定浓度的NaCl溶液反应，其制氢效率才得以充分发挥。与现有专利相比，本发明的制氢速率高、制氢工序简单。利用纳米多孔镁材料制氢这种方法目前还没有任何报道，所以本发明具有首创性。除此之外，本发明还具有成本低廉、制备工艺简单、制氢效率高、洁净度高、绿色环保，且可回收利用等突出优点，具有显著的经济效益。具体表现在：
(1)首次采用纳米多孔镁这种材料来制备氢气。(2)镁储量丰富，价格低廉，可以满足大规模工业化的需求。(3)多孔镁的制备方法简单易行，并且可以利用冶炼过程中热分解镁矿石产生的镁蒸气来制备，制备成本低廉。(4)制氢材料具有纳米多孔结构，比表面积大，产氢率高。(5)由于纳米多孔镁这种材料中没有任何添加元素，氢的洁净度高。(6)本发明所使用的NaCl制氢溶剂，可以直接从海水中获取。(7)本发明的制氢产物为氢氧化镁与氯化钠的混合物，可进行电解回收实现循环利用。
此外，本发明还可实现氢气的即制即用，避免了氢气储存、运输等方面的一系列难题。常规条件下，纳米多孔镁的实际制氢量可达800ml/g，可依据所需氢气的量来携带所需重量的纳米多孔镁，实现携带方便安全、现场快速制氢。与现有专利相比，本发明所用的制氢材料制备工艺简单(蒸发-冷凝)，制备周期短，成本低，且不存在铝基制氢材料的钝化或团聚问题，无需添加任何合金元素，凭借自身的纳米多孔结构即具有很好的水解活性。
附图说明
图1为本发明的制备纳米多孔镁的制备装置简图；
图2为本发明中纳米多孔镁的形貌图；
图3为本发明的制氢速率曲线。
其中：1-机械泵；2-乙醇蒸汽；3-不锈钢网；4-热电偶；5-电阻炉；6-镁粉；7-不锈钢样品室。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法。
本发明首先进行纳米多孔镁制备，制备纳米多孔镁的步骤如下：
(1)先将适量镁粉放入不锈钢样品室7内，如图1所示，再将不锈钢网3置于镁粉6上方，作为镁蒸气的沉积基底，利用机械泵1将不锈钢样品室7抽真空。
(2)通入5Pa的乙醇蒸汽2，启动电阻炉5加热，利用热电偶4测量温度，将温度升至550℃，恒温沉积2h，在不锈钢网3上即生成纳米多孔结构的金属镁，其形貌如图2所示。
然后采用纳米多孔镁进行氢气制取，纳米多孔镁在室温为25℃，1个大气压力下进行制氢实验。首先从真空封装中称取1g纳米多孔镁，置于反应容器中，再加入20ml不同浓度的盐水，将即刻发生快速的析氢反应。连接好气体收集装置，反应20min。NaCl溶液浓度、制氢速度和制氢量如表1所示。
表1 纳米多孔镁在不同浓度盐水中的制氢速度及制氢量
由表1得到最适制氢的NaCl溶液的浓度为5～10wt.％。
在最适NaCl溶液浓度的条件下，改变反应温度，其实验结果如表2所示。
表2 不同温度下纳米多孔镁的制氢速度及制氢量
由表2得到最适的制氢温度为25℃～40℃。
本发明制氢速度快，可达40ml/g·min，明显优于没有多孔结构的金属镁(相同实验条件下，金属镁的制氢速率为1.7ml/g·min，如图3)。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法，其特征在于：该方法将真空封装中的纳米多孔镁取出，与NaCl溶液混合，即可制得氢气；其中，纳米多孔镁孔隙率为60～80%，比表面积为10～30m2/g，NaCl溶液的浓度为5～10wt. %。
2.根据权利要求1所述的利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法，其特征在于：所述制取氢气在25℃～40℃下进行。
3.根据权利要求1所述的利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法，其特征在于：所述纳米多孔镁采用物理气相沉积法制备。
4.根据权利要求3所述的利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法，其特征在于：所述物理气相沉积法制备纳米多孔镁的具体步骤如下：
（1）真空条件下，将镁粉加热蒸发，形成镁蒸气；
（2）向镁蒸汽中通入低压气流，与镁蒸气混合；
（3）镁蒸气在不锈钢基底上沉积，形成纳米多孔镁。
5.根据权利要求4所述的利用纳米多孔镁快速制取氢气的方法，其特征在于：所述步骤（2）中低压气流为5Pa乙醇蒸汽。
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