Al–Bi和Al–Sn合金铸态粉末及经过研磨处理后的粉末在水解过程中产生的氢气量

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen yields from the hydrolysis of as-cast and filed powders of Al–Bi and Al–Sn alloys

氢能生产：Al–Bi和Al–Sn合金在NaCl/NaOH介质中的氢气生成机制及成本分析。研究采用研磨法制备合金粉末，结合扫描电镜分析微观结构，发现溶质含量与合金微观结构（如阴极-阳极面积比）显著影响氢气生成效率，Al–Bi在NaCl中表现更优，而Al–Sn在NaOH中效率更高。通过对比传统制氢方法的局限性，提出这两种合金在燃料电池汽车（400公里续航）中每公斤氢气成本约0.20-0.40美元，验证了研磨法制备粉末的可行性和经济性。

　　

迪戈·科斯塔（Diego Costa）|罗德里戈·S·博纳蒂（Rodrigo S. Bonatti）|奥斯迪尼尔·D·博尔托洛索（Ausdinir D. Bortolozo）|埃里克·波洛尼（Erik Poloni）|维斯莱·R·奥索里奥（Wislei R. Osório）

坎皮纳斯大学（Universidade de Campinas/UNICAMP）第一校区技术学院（Faculdade de Tecnologia, FT），巴西圣保罗州利梅拉市（Limeira-SP），邮编13484-332

摘要

本研究的目的是评估从Al–Bi和Al–Sn合金粉末中生成氢气的情况。这些粉末是通过研磨工艺制备的，并通过扫描电子显微镜进行了表征。研究发现，溶质含量和合金微观结构的共同作用显著影响了在氯化钠（NaCl）和氢氧化钠（NaOH）介质中的氢气生成速率。观察到Al–Bi和Al–Sn粉末在两种介质中的表现趋势相反。本研究建立了氢气生成速率、溶质含量、合金微观结构以及纯化程度之间的新关联。微观结构决定了阴极与阳极的面积比以及贵金属区域与阳极区域之间的界面反应。对于车载和现场使用的燃料电池应用，估计每行驶400公里的氢气生成成本在0.20至0.40美元之间。这些发现表明所研究的合金及研磨工艺是燃料电池实际应用中的有前景候选材料。

引言

在过去的20年里，关于氢气生产的众多研究表明，氢气和燃料电池是未来可持续能源系统的关键技术。毫无疑问，氢气是一种清洁的能源载体。Balat在2008年报告称，到2040年，氢燃料电池汽车和轻型卡车可能会替代每天约1800万桶石油的消耗。此外，氢气还有助于减少碳排放[1]。在传统的氢气生产方法中，基于化石燃料分解或气化以及水分解的方法通常具有较低的转化效率、较高的成本或较差的环境适应性[2]。当使用具有较大表面积的铝（Al）及其合金粉末时，可以获得合理且令人满意的水解速率。铝及其合金粉末产生的氢气量足以激活简单的商用燃料电池[3]。

已有大量文献探讨了在水中激活铝的不同方法。考虑到添加添加剂的作用，一些研究将低熔点金属（如铋（Bi）、锡（Sn）、镓（Ga）、铟（In）、锂（Li）和锌（Zn）掺入铝中以制备活性粉末。此外，还研究了各种金属氧化物、盐类及其组合[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10],[11]。已有报道指出，低熔点的二元、三元和多元合金也具有潜力[4]。范等人[13]（Al–16Bi）、尹等人[3]（Al–1Sn）、刘等人[8]（Al–20Bi和Al–20Sn）以及肖等人[7]（Al–10Bi和Al–10Sn）的研究表明，这些合金在自来水或蒸馏水中可产生接近1000 mL/g的氢气。刘等人[8]证明，粒径在20至60 μm之间的雾化Al–20Bi粉末在30°C下300分钟内可在水中产生约900 mL/g的氢气。王等人[9]、肖等人[7]和黄等人[4]报告称，使用三元Al–Bi–Sn合金可以提高氢气生成效率。Al-7.5Bi-2.5Sn合金在110分钟内可产生约1050 mL/g的氢气[7]，而Al–10Bi–10Sn合金在16分钟内可产生1240 mL/g的氢气[9]。在这些研究中，水浴温度分别为30°C和35°C，通过球磨分别获得了粒径在10至30 μm和25至60 μm之间的粉末。众所周知，铝与次生相（包括金属间化合物）之间的电偶效应和微电偶效应会显著影响氢气的生成[2]。例如，铝颗粒与周围富Sn或Bi的相或金属间化合物之间会形成电偶对[2,3,5,[13],[14],[15],[16]]。Yoo等人[2]报告称，使用不同Sn含量（5%、10%和20%重量百分比）的Al–Sn合金可以获得蜂窝状和树枝状微观结构[2]。尽管已经报道了铝与Sn之间的电偶效应，但蜂窝状与树枝状微观结构对氢气生成的影响尚未进行详细分析。

尽管从冶金学角度来看，微观结构对最终性能的影响已得到充分认识[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28]，但关于微观结构（蜂窝状或树枝状）与氢气生成速率之间的系统关联在文献中仍较为有限。本研究首次探讨了溶质含量及其在铝基体中的分布（特别是阴极与阳极的面积比）对不同形态的Al–Bi和Al–Sn合金电偶效应的综合影响。此外，本研究采用了研磨工艺制备粉末，这种方法比球磨或雾化更简单且潜在成本更低。同时，本研究通过提供成本分析并与燃料电池应用需求（400公里行驶里程）进行比较，具有实际意义。此外，广泛的文献对比进一步证明了Al–Bi和Al–Sn合金在NaCl和NaOH介质中的不同表现。

章节摘录

Al–Bi和Al–Sn合金的选择与制备

本研究选择了Al–Bi和Al–Sn合金。准备了两种低浓度的Al-3 wt.% Bi和Al-3 wt.% Sn合金，以及两种高浓度的Al-10 wt% Bi和Al-10 wt% Sn合金。这些合金的选择基于相关文献中关于其凝固参数和机械性能的信息[3,7,9,10,[29],[30],[31],[32],[33],[34]，以及它们在传统铸造和球磨等生产路线中的氢气生成速率[3,7,9,10]。

因为铋（Bi）和锡（Sn）...

Al–Bi合金的微观结构

图2展示了Al–Bi合金的典型微观结构及其对应形态。图2(a)和(b)显示了铸件底部Al-3 wt.% Bi合金的微观结构。通过将扫描电子显微镜图像转换为二维图像，可以确定Ac/Aa比值和晶界密度（GCD）。

图2(c)、(d)和(e)展示了铸件顶部相同位置的两个不同样品的微观结构。同样，图2(f–h)和(i–l)展示了...

结论

根据使用Al–Bi和Al–Sn二元合金获得的实验结果，可以得出以下结论，并对研究的局限性和未来发展方向进行了思考。

1.

在NaCl介质中，Al–Bi合金产生的氢气量低于在NaOH介质中的产量。当Al–Bi合金具有更细的微观结构时，会产生更多的氢气，因为较小的Bi颗粒会导致更高的阴极与阳极面积比（Ac/Aa），从而促进腐蚀过程。

作者贡献声明

迪戈·科斯塔（Diego Costa）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、资源提供、实验设计、数据分析。罗德里戈·S·博纳蒂（Rodrigo S. Bonatti）：可视化处理、数据验证、方法论设计、实验设计、数据分析。奥斯迪尼尔·D·博尔托洛索（Ausdinir D. Bortolozo）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、数据分析、数据整理。埃里克·波洛尼（Erik Poloni）：审稿与编辑、撰写初稿、可视化处理、数据验证、方法论设计、概念构建。维斯莱·R·奥索里奥（Wislei R. Osório）：审稿。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了FAEPEX-UNICAMP（项目编号2169/25）、CAPES（巴西教育部高等教育人员培训协调机构）、Ministry of Education（巴西教育部）（项目编号1）以及CNPq（巴西国家科学技术发展委员会）（项目编号402704/2023-1、407595/2022-8和305996/2024-0）的财政支持。