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基本信息

項(xiàng)目名稱：
高效安全水解制氫材料的合成及其發(fā)電裝置的研發(fā)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本項(xiàng)目旨在研發(fā)一種新的低成本、高效率、無污染的制氫材料，研究制氫材料的合成方法，并通過質(zhì)子交換膜燃料電池直接將水解制氫轉(zhuǎn)換為電能。利用“現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)即時(shí)安全、按需供氫發(fā)電。研發(fā)安全清潔制氫-發(fā)電裝置，以滿足目前商業(yè)化的應(yīng)用。制氫的副產(chǎn)物可被回收作為功能陶瓷和發(fā)光材料的優(yōu)質(zhì)原料，體現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念。
詳細(xì)介紹：
本作品采用球磨法制備了一種高效鋁-鈰(Ce)合金制氫材料，并利用該材料研發(fā)了便攜式安全清潔制氫-發(fā)電裝置。所制備的制氫材料能高效地與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，不僅產(chǎn)氫效率和產(chǎn)氫總量高于其他制氫材料，而且穩(wěn)定性非常好。在常溫條件下，該材料的產(chǎn)氫量分別達(dá)到1293mL/g；轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.2%；產(chǎn)氫質(zhì)量比達(dá)到11.0%。反應(yīng)后的鋁鈰氧化物不僅能光催化水解制氫，而且可被回收為優(yōu)良的發(fā)光材料基質(zhì)。另外，該作品研發(fā)的便攜制氫發(fā)電裝置通過一個(gè)控制單元精確調(diào)控加入水的量來控制水解反應(yīng)的速率，確保產(chǎn)生安全清潔的氫氣，從而能穩(wěn)定連續(xù)地發(fā)電。該作品制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，清潔無污染，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制氫-發(fā)電安全可靠，可為各行各業(yè)提供穩(wěn)定的氫氣及電能。

作品圖片

  • 高效安全水解制氫材料的合成及其發(fā)電裝置的研發(fā)
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目旨在研發(fā)一種新的低成本、高效率、無污染的制氫材料及其安全清潔制氫-發(fā)電裝置，以滿足目前商業(yè)化的應(yīng)用。 基本思路： 1. 金屬鋁粉表面極易鈍化，常溫下不與水反應(yīng)，需要合適的活化劑對(duì)其表面進(jìn)行活化。 2. 稀土金屬單質(zhì)鈰(Ce)的還原性比鋁更強(qiáng)，同時(shí)反應(yīng)后的鋁鈰氧化物還能光催化水解制氫。 3. 通過添加少量的鉍離子作為激活劑。 4. 通過加入適量的堿金屬離子，提高材料的制氫效率。 5. 利用球磨法制備Al-Ce合金。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 合成方法的創(chuàng)新 采用一步球磨法成功地合成了鋁-鈰合金制氫材料。 2. 材料體系的創(chuàng)新 本項(xiàng)目利用稀土金屬鈰Ce強(qiáng)的化學(xué)活性和鋁鈰氧化物對(duì)水的光催化分解作用。反應(yīng)后的產(chǎn)物可作為功能陶瓷和發(fā)光材料的優(yōu)質(zhì)原料回收利用。 3. 制氫裝置的設(shè)計(jì) 技術(shù)關(guān)鍵： 1. 合適原材料的選擇； 2. 活性Al-Ce合金制氫材料制備技術(shù)的開發(fā)； 3. 便攜、安全、清潔的制氫-發(fā)電裝置的研發(fā)。 本作品達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)： 1. 在常溫條件下，合金制氫材料的產(chǎn)氫量達(dá)到1293mL/g； 2. 在六十分鐘內(nèi)的平均產(chǎn)氫速率達(dá)到21.5 mL*g-1*min-1； 3. 合金制氫材料的水解轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.2%； 4. 合金制氫材料的產(chǎn)氫質(zhì)量比達(dá)到11.0%； 5. 輸出功率達(dá)到2.6 W*g-1*h-1，將20g制氫材料（成本價(jià)1元左右）投入發(fā)電裝置，可以驅(qū)動(dòng)5W的LED彩燈條連續(xù)工作10小時(shí)；筆記本電腦工作40分鐘。

科學(xué)性、先進(jìn)性

與現(xiàn)有技術(shù)相比本作品具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 作為原料的鋁是地殼中含量最為豐富的金屬，其價(jià)格低廉，電子能量密度高。由此，該材料制備成本低，產(chǎn)氫效率和產(chǎn)氫總量高于其他制氫材料。 2. 以球磨法一步制得的制氫材料粒徑?。?μm以下）、制氫效率高。制備工藝簡(jiǎn)單，大大的節(jié)約了能源。 3. 所研制的制氫材料活性高，即使在低溫0℃條件下也能與水反應(yīng)產(chǎn)生大量的氫氣，突破了外界環(huán)境變化對(duì)制氫效果的影響。 4. 與水反應(yīng)后的產(chǎn)物不僅可催化水解制氫提高產(chǎn)氫量，而且可作為功能陶瓷和發(fā)光材料的優(yōu)質(zhì)原料回收利用。 5. 采用原位包覆技術(shù)用一定的鹽對(duì)制氫材料進(jìn)行了表面包覆，不僅提高了制氫效率，還大大的提高了其物理化學(xué)穩(wěn)定性。 6. 材料本身和反應(yīng)產(chǎn)物均呈中性，不存在酸、堿污染。 7. 設(shè)計(jì)的便攜式安全清潔制氫-發(fā)電裝置，反應(yīng)器成本低廉，能有效地控制反應(yīng)速率，獲得穩(wěn)定連續(xù)的氫氣以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

該作品已由****分析測(cè)試中心檢測(cè)與上海神州科技開發(fā)中心實(shí)際應(yīng)用鑒定。 該作品的文章：Hydrogen generation from highly activated Al-Ce composite materials with pure water. J. Am. Ceram. Soc. 2010年3月獲得“上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目資助。 2011年5月獲得第二屆上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)論壇“最佳實(shí)踐獎(jiǎng)”。 2011年6月獲得第十二屆“挑戰(zhàn)杯”上海市選拔賽一等獎(jiǎng)

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

該發(fā)明產(chǎn)品正與相關(guān)企業(yè)洽談技術(shù)合作協(xié)議。

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、錄像及現(xiàn)場(chǎng)演示

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說明： 需要?dú)錃饣螂娔軙r(shí)將樣品投入制氫-發(fā)電裝置內(nèi)，即有大量連續(xù)的氫氣生成，同時(shí)產(chǎn)生電能。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 本作品選用球磨法一步制得高效廉價(jià)的鋁鈰制氫材料，使制備的制氫材料達(dá)到生產(chǎn)節(jié)能、制氫高效的要求。在材料設(shè)計(jì)理念上，充分利用我國豐富的稀土資源這一優(yōu)勢(shì)，水解產(chǎn)物鋁鈰氧化物不僅具有光催化效果，為研究太陽能光催化制氫材料提供新的思路，而且可作為功能陶瓷和發(fā)光材料的優(yōu)質(zhì)原料回收利用。生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生“三廢”，屬于綠色環(huán)保，無毒、低能耗、高效益產(chǎn)業(yè)，完全可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收。 本作品制備的高效鋁鈰微納米合金是一種低成本、高效率、無污染的制氫材料。該材料可廣泛應(yīng)用于民用應(yīng)急照明燈、手機(jī)電池、筆記本電腦、電動(dòng)車等設(shè)備；軍用水下潛艇、小型無人飛機(jī)、背負(fù)式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源、野外施工、救災(zāi)搶險(xiǎn)等。同時(shí)該材料水解制氫的副產(chǎn)物可作為功能陶瓷和發(fā)光材料的優(yōu)質(zhì)原料被回收利用，體現(xiàn)出直接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此本作品成果推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

同類課題研究水平概述

金屬Al價(jià)格低廉，電子密度高，含量豐富。但通常情況下，Al表面有一層致密的氧化物保護(hù)膜，使金屬Al不與水反應(yīng)。Al的納米改性被認(rèn)為是目前便攜式燃料電池經(jīng)濟(jì)有效的氫源技術(shù)。但是，納米改性Al制備工藝復(fù)雜，與水反應(yīng)產(chǎn)氫的速度很慢，制備成本高，產(chǎn)氫量也達(dá)不到商業(yè)化要求。為了解決上述技術(shù)問題，美國和俄羅斯的相關(guān)研究人員用Al與Ga, Sn, In, Hg, Pb, Bi, Mg, Zn熔融形成高分散性合金，該制氫材料與82℃純水發(fā)生反應(yīng)，30min 氫產(chǎn)量達(dá)到1060 mL/g。但是這些材料的缺點(diǎn)是：與水反應(yīng)后，在局部Al表面都會(huì)形成一層致密的氧化物保護(hù)膜，導(dǎo)致制氫材料反應(yīng)不完全。伊朗的Alinejad等人報(bào)道了用脆性的氯化鈉和鋁一起球磨得到了高活性的納米鋁顆粒。在氯化鈉和鋁的摩爾比為1.5和球磨時(shí)間為20小時(shí)的條件下，球磨得到的粉末與70℃的純水在40 min內(nèi)完全反應(yīng)，但在制備過程中消耗了大量的電能。西班牙的Lluís Soler等人報(bào)道了使用鋁合金和硼氫化物混合制氫，但仍存在成本問題。 我國大連化物所、浙江大學(xué)、上海大學(xué)、江蘇中靖新能源科技有限公司等做了大量的研究工作，也取得了較好的效果。如，Deng 等人報(bào)道了通過γ-Al2O3修飾鋁-水體系來增加氫氣的生成。使用修飾后的Al(30wt%)-γAl2O3 體系在常溫與水反應(yīng)80小時(shí)后，鋁的轉(zhuǎn)化率達(dá)到88%。該材料雖然成本低廉對(duì)環(huán)境無污染，但是反應(yīng)速率太慢，實(shí)際應(yīng)用受到了很大的限制。
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