CN113856670B - 一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物及其应用，所述复合氧化物由p型氧化物半导体与n型氧化物半导体组成，所述p型氧化物半导体与所述n型氧化物半导体在材料的内部形成p‑n结。本发明的复合氧化物在热辐射的作用下，其中n型氧化物半导体的表面形成自由电子，p型氧化物半导体的表面形成空穴，两者在材料的内部形成“p‑n结”，降低自由电子与空穴复合的几率，提高催化体系的性能；通过材料表面的自由电子与空穴，实现快速、有效地催化MgH2分解放氢。
Description
技术领域
本发明涉及化学催化技术领域，特别是涉及一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物及其应用。
背景技术
进入21世纪以来，世界范围内的能源危机和环境恶化问题日益严峻，迫使人类社会发展各种可再生清洁能源。太阳能是其中的一种丰富的可再生能源，受到研究者的广泛关注。太阳能光热发电技术是新一代太阳能发电站的发展方向。太阳能光热发电系统分成四部分：集热系统、热传输系统、储热系统、发电系统。其中，储热系统将多余的热能储存起来，根据当地的用电负荷，适应电网调度发电，提高太阳能光热发电站的效率。
储热材料是储热系统的关键技术。储热材料的种类主要分为显热储热材料、潜热储热材料和热化学储热材料。热化学储热材料是基于化学可逆反应进行热能的储存/释放，其储热密度大，稳定性非常高，能够实现热能的长期储存，是新一代储热材料研究的重点发展方向。其中，金属氢化物储热材料具有反应热值高、分解温度范围大、循环性能好、价格低廉、来源广泛以及安全性高等优点，是储热材料的主流发展方向。
镁(Mg)基氢化物是热化学储能材料中比较常见的储热材料体系，除了具备热化学储热材料常见的优点外，还具有价格低廉、来源广泛以及安全性高等优点，是储热材料的主流方向。然而，镁(Mg)基氢化物动力学性能较差，阻碍其在储热系统中的应用。纳米化与合金化是改善吸放氢动力学的主要途径。但是，这些方法存在高温下结构不稳定与成本昂贵等问题。因此亟需发展一种新的方法，解决镁(Mg)基氢化物动力学性能差的问题，促进储热系统的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物及其应用，所述复合氧化物由p型氧化物半导体与n型氧化物半导体组成，并在材料的内部形成“p-n结”，可促进MgH2快速放氢。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物，由p型氧化物半导体与n型氧化物半导体组成，所述p型氧化物半导体与所述n型氧化物半导体在材料的内部形成p-n结。
所述p型氧化物半导体包括NiO、Cu2O、Cr2O3、Bi2O3、Pr2O3、Nd2O3、RuO2中的一种或多种。
所述n型氧化物半导体包括ZnO、BaO、TiO2、WO3、Mn2O3、Fe3O4、Nb2O5、Ta2O5、MoO3中的一种或多种。
作为上述方案的进一步改进，所述复合氧化物为Ta2O5-Pr2O3、Ta2O5-Nd2O3中的一种。
本发明第二方面在于提供如上所述的复合氧化物在催化MgH2快速放氢中的应用。
作为上述方案的进一步改进，所述复合氧化物在热辐射作用下催化MgH2快速放氢。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的复合氧化物在热辐射的作用下，n型氧化物半导体的表面形成自由电子，p型氧化物半导体的表面形成空穴，两者在材料的内部形成“p-n结”，降低自由电子与空穴复合的几率，提高催化体系的性能；通过材料表面的自由电子与空穴，实现快速、有效地催化MgH2分解放氢。
附图说明
图1是本发明复合氧化物催化体系的催化机理图；
图2是本发明实施例2的Ta2O5-Nd2O3复合氧化物催化体系的工作机理图；
图3是本发明实施例2中Ta2O5-Nd2O3复合氧化物催化体系(MgH2-TN)与单独球磨的MgH2放氢性能的比较图。
具体实施例
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物，由p型氧化物半导体与n型氧化物半导体组成，所述p型氧化物半导体与所述n型氧化物半导体在材料的内部形成p-n结。
催化机理：
根据斯忒藩－波耳兹曼定律：黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总功率(辐射度)j*与黑体本身的热力学温度T的四次方成正比：
j*＝εσΤ4
其中j*是辐射度(W·m-2)，T为绝对温度(K)，ε为辐射率，比例系数σ为斯特藩-玻尔兹曼常数(σ＝5.67×10-8W·m-2·K-4)。MgH2储热材料的工作温度为300-500℃，而在此温度区间内降温，单位面积下黑体的辐射散热功率超过1.41×104W。因此热辐射是MgH2储热材料的主要传热方式。
如图1所示，本发明的复合氧化物催化体系由p型氧化物半导体与n型氧化物半导体组成。其中，p型氧化物包括(NiO，Cu2O，Cr2O3，Bi2O3，Pr2O3，Nd2O3，RuO2等)，n型氧化物半导体包括(ZnO，BaO，TiO2，WO3，Mn2O3，Fe3O4，Nb2O5，Ta2O5和MoO3等)。p型氧化物半导体与n型氧化物半导体在材料内部形成“p-n结”。在热辐射的作用下，n型氧化物半导体表面形成自由电子，p型氧化物半导体表面形成空穴，在材料内部形成“p-n结”，从而降低自由电子与空穴复合的几率，提高催化体系的性能。通过材料表面的自由电子与空穴，能够快速、有效地催化MgH2分解放氢。
实施例2：
一种催化MgH2快速放氢的Ta2O5-Nd2O3复合氧化物，其中Nd2O3为p型氧化物半导体，Ta2O5为n型氧化物半导体，两者内部形成“p-n结”，能快速、有效地催化MgH2分解放氢。
如图2所示，本实施例的Ta2O5-Nd2O3复合氧化物催化MgH2分解放氢的机理为：
在热辐射的作用下，Ta2O5表面形成自由电子，Nd2O3表面形成空穴。在材料内部形成“p-n结”，降低自由电子与空穴复合的几率，提高催化体系的性能。通过材料表面的自由电子与空穴，快速、有效地催化MgH2分解放氢。
将加入本实施例Ta2O5-Nd2O3复合氧化物的MgH2体系与单独球磨的MgH2进行放氢性能比较。
如图3所示，可见加入Ta2O5-Nd2O3复合氧化物后，MgH2的放氢性能明显改善，其能够在30分钟内放出超过5wt％的氢气，而单独球磨的MgH2只能放出约2.5wt％的氢气。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种催化MgH2快速放氢的复合氧化物，其特征在于，由p型氧化物半导体与n型氧化物半导体组成，所述p型氧化物半导体与所述n型氧化物半导体在材料的内部形成p-n结；所述p型氧化物半导体为Nd2O3；所述n型氧化物半导体为Ta2O5。
2.权利要求1所述的复合氧化物在催化MgH2快速放氢中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述复合氧化物在热辐射作用下催化MgH2快速放氢。
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