基本信息
- 项目名称：
- 高效安全水解制氢材料的合成及其发电装置的研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目旨在研发一种新的低成本、高效率、无污染的制氢材料，研究制氢材料的合成方法，并通过质子交换膜燃料电池直接将水解制氢转换为电能。利用“现场制氢技术”，实现即时安全、按需供氢发电。研发安全清洁制氢-发电装置，以满足目前商业化的应用。制氢的副产物可被回收作为功能陶瓷和发光材料的优质原料，体现循环经济的理念。
- 详细介绍：
- 本作品采用球磨法制备了一种高效铝-铈(Ce)合金制氢材料，并利用该材料研发了便携式安全清洁制氢-发电装置。所制备的制氢材料能高效地与水反应产生氢气，不仅产氢效率和产氢总量高于其他制氢材料，而且稳定性非常好。在常温条件下，该材料的产氢量分别达到1293mL/g；转化率达到99.2%；产氢质量比达到11.0%。反应后的铝铈氧化物不仅能光催化水解制氢，而且可被回收为优良的发光材料基质。另外，该作品研发的便携制氢发电装置通过一个控制单元精确调控加入水的量来控制水解反应的速率，确保产生安全清洁的氢气，从而能稳定连续地发电。该作品制备工艺简单，成本低廉，清洁无污染，装置结构简单，制氢-发电安全可靠，可为各行各业提供稳定的氢气及电能。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目旨在研发一种新的低成本、高效率、无污染的制氢材料及其安全清洁制氢-发电装置，以满足目前商业化的应用。 基本思路： 1. 金属铝粉表面极易钝化，常温下不与水反应，需要合适的活化剂对其表面进行活化。 2. 稀土金属单质铈(Ce)的还原性比铝更强，同时反应后的铝铈氧化物还能光催化水解制氢。 3. 通过添加少量的铋离子作为激活剂。 4. 通过加入适量的碱金属离子，提高材料的制氢效率。 5. 利用球磨法制备Al-Ce合金。 创新点： 1. 合成方法的创新 采用一步球磨法成功地合成了铝-铈合金制氢材料。 2. 材料体系的创新 本项目利用稀土金属铈Ce强的化学活性和铝铈氧化物对水的光催化分解作用。反应后的产物可作为功能陶瓷和发光材料的优质原料回收利用。 3. 制氢装置的设计 技术关键： 1. 合适原材料的选择； 2. 活性Al-Ce合金制氢材料制备技术的开发； 3. 便携、安全、清洁的制氢-发电装置的研发。 本作品达到的技术指标： 1. 在常温条件下，合金制氢材料的产氢量达到1293mL/g； 2. 在六十分钟内的平均产氢速率达到21.5 mL*g-1*min-1； 3. 合金制氢材料的水解转化率达到99.2%； 4. 合金制氢材料的产氢质量比达到11.0%； 5. 输出功率达到2.6 W*g-1*h-1，将20g制氢材料（成本价1元左右）投入发电装置，可以驱动5W的LED彩灯条连续工作10小时；笔记本电脑工作40分钟。
科学性、先进性
- 与现有技术相比本作品具有以下优点： 1. 作为原料的铝是地壳中含量最为丰富的金属，其价格低廉，电子能量密度高。由此，该材料制备成本低，产氢效率和产氢总量高于其他制氢材料。 2. 以球磨法一步制得的制氢材料粒径小（5μm以下）、制氢效率高。制备工艺简单，大大的节约了能源。 3. 所研制的制氢材料活性高，即使在低温0℃条件下也能与水反应产生大量的氢气，突破了外界环境变化对制氢效果的影响。 4. 与水反应后的产物不仅可催化水解制氢提高产氢量，而且可作为功能陶瓷和发光材料的优质原料回收利用。 5. 采用原位包覆技术用一定的盐对制氢材料进行了表面包覆，不仅提高了制氢效率，还大大的提高了其物理化学稳定性。 6. 材料本身和反应产物均呈中性，不存在酸、碱污染。 7. 设计的便携式安全清洁制氢-发电装置，反应器成本低廉，能有效地控制反应速率，获得稳定连续的氢气以满足实际应用的需要。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品已由****分析测试中心检测与上海神州科技开发中心实际应用鉴定。 该作品的文章：Hydrogen generation from highly activated Al-Ce composite materials with pure water. J. Am. Ceram. Soc. 2010年3月获得“上海市大学生创新活动计划”项目资助。 2011年5月获得第二届上海市大学生创新活动论坛“最佳实践奖”。 2011年6月获得第十二届“挑战杯”上海市选拔赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 该发明产品正与相关企业洽谈技术合作协议。
作品可展示的形式
- 实物、产品、录像及现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 需要氢气或电能时将样品投入制氢-发电装置内，即有大量连续的氢气生成，同时产生电能。 技术特点和优势： 本作品选用球磨法一步制得高效廉价的铝铈制氢材料，使制备的制氢材料达到生产节能、制氢高效的要求。在材料设计理念上，充分利用我国丰富的稀土资源这一优势，水解产物铝铈氧化物不仅具有光催化效果，为研究太阳能光催化制氢材料提供新的思路，而且可作为功能陶瓷和发光材料的优质原料回收利用。生产过程中不产生“三废”，属于绿色环保，无毒、低能耗、高效益产业，完全可以实现经济效益和社会效益双丰收。 本作品制备的高效铝铈微纳米合金是一种低成本、高效率、无污染的制氢材料。该材料可广泛应用于民用应急照明灯、手机电池、笔记本电脑、电动车等设备；军用水下潜艇、小型无人飞机、背负式通讯电源、卫星通讯车载电源、野外施工、救灾抢险等。同时该材料水解制氢的副产物可作为功能陶瓷和发光材料的优质原料被回收利用，体现出直接的经济价值。因此本作品成果推广应用前景十分广阔。
同类课题研究水平概述
- 金属Al价格低廉，电子密度高，含量丰富。但通常情况下，Al表面有一层致密的氧化物保护膜，使金属Al不与水反应。Al的纳米改性被认为是目前便携式燃料电池经济有效的氢源技术。但是，纳米改性Al制备工艺复杂，与水反应产氢的速度很慢，制备成本高，产氢量也达不到商业化要求。为了解决上述技术问题，美国和俄罗斯的相关研究人员用Al与Ga, Sn, In, Hg, Pb, Bi, Mg, Zn熔融形成高分散性合金，该制氢材料与82℃纯水发生反应，30min 氢产量达到1060 mL/g。但是这些材料的缺点是：与水反应后，在局部Al表面都会形成一层致密的氧化物保护膜，导致制氢材料反应不完全。伊朗的Alinejad等人报道了用脆性的氯化钠和铝一起球磨得到了高活性的纳米铝颗粒。在氯化钠和铝的摩尔比为1.5和球磨时间为20小时的条件下，球磨得到的粉末与70℃的纯水在40 min内完全反应，但在制备过程中消耗了大量的电能。西班牙的Lluís Soler等人报道了使用铝合金和硼氢化物混合制氢，但仍存在成本问题。 我国大连化物所、浙江大学、上海大学、江苏中靖新能源科技有限公司等做了大量的研究工作，也取得了较好的效果。如，Deng 等人报道了通过γ-Al2O3修饰铝-水体系来增加氢气的生成。使用修饰后的Al(30wt%)-γAl2O3 体系在常温与水反应80小时后，铝的转化率达到88%。该材料虽然成本低廉对环境无污染，但是反应速率太慢，实际应用受到了很大的限制。
