Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Magnesium Nickel Hydride Khó Bị Ảnh Hưởng Bởi Không Khí với Hiệu Ứng Tự Tăng Tốc và Tự Bảo Vệ cho Lưu Trữ Hydro Đảo Ngược
Tóm tắt
Trong số các yếu tố hạn chế việc sử dụng quy mô lớn của hydride chứa magie như một chất lưu trữ hydro, nhiệt độ hoạt động cao, động học chậm và độ ổn định với không khí đặc biệt là những trở ngại chính. Trong nghiên cứu này, một phương pháp mới, cụ thể là tổng hợp bằng cháy hydride kết hợp với trộn cơ học ngắn hạn sau đó tiếp xúc với không khí, đã được đề xuất để tổng hợp hydride magie nickel (Mg2NiH4) ổn định với không khí và có khả năng tự xúc tác, cho thấy động học hấp thụ/giải phóng hydro, khả năng giữ lại và khả năng chống oxi hóa xuất sắc. Mg2NiH4 được xay ngắn hạn có thể giải phóng 2.97% trọng lượng hydro trong 500 giây ở nhiệt độ 230 °C. Ngay cả sau 67 ngày tiếp xúc trong không khí, nó vẫn có thể giải phóng 2.88% trọng lượng hydro trong 500 giây ở nhiệt độ 230 °C. Các kết quả thí nghiệm và lý thuyết đều chỉ ra rằng bề mặt của Mg2NiH4 sau khi nghiền rất dễ bị oxi hóa trong môi trường không khí. Tuy nhiên, Ni hình thành tại chỗ trong quá trình tiếp xúc với không khí của Mg2NiH4 đã cải thiện động học giải phóng hydro, và lớp màng bảo vệ hình thành trên bề mặt đã duy trì khả năng lưu trữ hydro và tránh việc bị nhiễm độc thêm, mà chúng tôi gọi là hiệu ứng tự xúc tác và tự bảo vệ. Hiệu ứng kép mới này đã điều chỉnh hoạt động phản ứng và khả năng chống oxi hóa của Mg2NiH4 khi tiếp xúc với không khí. Những phát hiện của chúng tôi cung cấp cái nhìn hữu ích về thiết kế và chế tạo hydride kim loại ổn định với không khí để sử dụng quy mô lớn và lưu trữ lâu dài.
Từ khóa
#hydride chứa magie #lưu trữ hydro #tự xúc tác #tự bảo vệ #oxi hóaTài liệu tham khảo
Schlapbach, L.; Züttel, A. Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature 2001, 414, 353–358.
Ouyang, L. Z.; Chen, W.; Liu, J. W.; Felderhoff, M.; Wang, H.; Zhu, M. Enhancing the regeneration process of consumed NaBH4 for hydrogen storage. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700299.
Yartys, V. A.; Lototskyy, M. V.; Akiba, E.; Albert, R.; Antonov, V. E.; Ares, J. R.; Baricco, M.; Bourgeois, N.; Buckley, C. E.; Von Colbe, J. M. B. et al. Magnesium based materials for hydrogen based energy storage: Past, present and future. Int. J. Hydrogen Energy 2019, 44, 7809–7859.
Zhu, Y. Y.; Ouyang, L. Z.; Zhong, H.; Liu, J. W.; Wang, H.; Shao, H. Y.; Huang, Z. G.; Zhu, M. Closing the loop for hydrogen storage: Facile regeneration of NaBH4 from its hydrolytic product. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 8623–8629.
Chen, K.; Ouyang, L. Z.; Zhong, H.; Liu, J. W.; Wang, H.; Shao, H. Y.; Zhang, Y.; Zhu, M. Converting H+ from coordinated water into H− enables super facile synthesis of LiBH4. Green Chem 2019, 21, 4380–4387.
Yu, X. B.; Tang, Z. W.; Sun, D. L.; Ouyang, L. Z.; Zhu, M. Recent advances and remaining challenges of nanostructured materials for hydrogen storage applications. Prog. Mater. Sci. 2017, 88, 1–48.
Chen, Z.; Ma, Z. L.; Zheng, J.; Li, X. G.; Akiba, E.; Li, H. W. Perspectives and challenges of hydrogen storage in solid-state hydrides. Chin. J. Chem. Eng. 2021, 29, 1–12.
Sun, Y. H.; Shen, C. Q.; Lai, Q. W.; Liu, W.; Wang, D. W.; Aguey-Zinsou, K. F. Tailoring magnesium based materials for hydrogen storage through synthesis: Current state of the art. Energy Storage Mater 2018, 10, 168–198.
Xia, G. L.; Tan, Y. B.; Chen, X. W.; Sun, D. L.; Guo, Z. P.; Liu, H. K.; Ouyang, L. Z.; Zhu, M.; Yu, X. B. Monodisperse magnesium hydride nanoparticles uniformly self-assembled on graphene. Adv. Mater. 2015, 27, 5981–5988.
Wagemans, R. W. P.; Van Lenthe, J. H.; De Jongh, P. E.; Van Dillen, A. J.; De Jong, K. P. Hydrogen storage in magnesium clusters: Quantum chemical study. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16675–16680.
Lotoskyy, M.; Denys, R.; Yartys, V. A.; Eriksen, J.; Goh, J.; Nyamsi, S. N.; Sita, C.; Cummings, F. An outstanding effect of graphite in Nano-MgH2-TiH2 on hydrogen storage performance. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 10740–10754.
Liu, H. Z.; Lu, C. L.; Wang, X. C.; Xu, L.; Huang, X. T.; Wang, X. H.; Ning, H.; Lan, Z. Q.; Guo, J. Combinations of V2C and Ti3C2 MXenes for boosting the hydrogen storage performances of MgH2. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 13235–13247.
Norberg, N. S.; Arthur, T. S.; Fredrick, S. J.; Prieto, A. L. Size-dependent hydrogen storage properties of Mg nanocrystals prepared from solution. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 10679–10681.
Liu, Y. N.; Zou, J. X.; Zeng, X. Q.; Wu, X. M.; Li, D. J.; Ding, W. J. Hydrogen storage properties of a Mg-Ni nanocomposite coprecipitated from solution. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 18401–18411.
Zhang, X.; Liu, Y. F.; Ren, Z. H.; Zhang, X. L.; Hu, J. J.; Huang, Z. G.; Lu, Y. H.; Gao, M. X.; Pan, H. G. Realizing 6. 7 wt% reversible storage of hydrogen at ambient temperature with non-confined ultrafine magnesium hydrides. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 2302–2313.
Liang, G.; Boily, S.; Huot, J.; Van Neste, A.; Schulz, R. Mechanical alloying and hydrogen absorption properties of the Mg-Ni system. J. Alloys Compd. 1998, 267, 302–306.
Zhu, Y. L.; Luo, S. C.; Lin, H. J.; Liu, Y. N.; Zhu, Y. F.; Zhang, Y.; Li, L. Q. Enhanced hydriding kinetics of Mg-10 at.% Al composite by forming Al12Mg17 during hydriding combustion synthesis. J. Alloys Compd. 2017, 712, 44–49.
Ouyang, L. Z.; Cao, Z. J.; Wang, H.; Liu, J. W.; Sun, D. L.; Zhang, Q. A.; Zhu, M. Enhanced dehydriding thermodynamics and kinetics in Mg(In)-MgF2 composite directly synthesized by plasma milling. J. Alloys Compd. 2014, 586, 113–117.
Cao, Z. J.; Ouyang, L. Z.; Wu, Y. Y.; Wang, H.; Liu, J. W.; Fang, F.; Sun, D. L.; Zhang, Q. A.; Zhu, M. Dual-tuning effects of In, Al, and Ti on the thermodynamics and kinetics of Mg85In5Al5Ti5 alloy synthesized by plasma milling. J. Alloys Compd. 2015, 623, 354–358.
Ma, Z. L.; Liu, J. C.; Zhu, Y. F.; Zhao, Y. Y.; Lin, H. J.; Zhang, Y.; Li, H. W.; Zhang, J. G.; Liu, Y. N.; Gao, W. T. et al. Crystal-facet-dependent catalysis of anatase TiO2 on hydrogen storage of MgH2. J. Alloys Compd. 2020, 822, 153553.
Cui, J.; Liu, J. W.; Wang, H.; Ouyang, L. Z.; Sun, D. L.; Zhu, M.; Yao, X. D. Mg-TM (TM: Ti, Nb, V, Co, Mo or Ni) core-shell like nanostructures: Synthesis, hydrogen storage performance and catalytic mechanism. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 9645–9655.
Zhang, L. C.; Wang, K.; Liu, Y. F.; Zhang, X.; Hu, J. J.; Gao, M. X.; Pan, H. G. Highly active multivalent multielement catalysts derived from hierarchical porous TiNb2O7 nanospheres for the reversible hydrogen storage of MgH2. Nano Res 2021, 14, 148–156.
Wirth, E.; Milcius, D.; Filiou, C.; Noréus, D. Exploring the hydrogen sorption capacity of Mg-Ni powders produced by the vapour deposition technique. Int. J. Hydrogen Energy 2008, 33, 3122–3127.
Matsumoto, I.; Akiyama, T.; Nakamura, Y.; Akiba, E. Controlled shape of magnesium hydride synthesized by chemical vapor deposition. J. Alloys Compd. 2010, 507, 502–507.
Kalinichenka, S.; Röntzsch, L.; Riedl, T.; Gemming, T.; Weißgärber, T.; Kieback, B. Microstructure and hydrogen storage properties of melt-spun Mg-Cu-Ni-Y alloys. Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 1592–1600.
Wu, Y.; Lototsky, M. V.; Solberg, J. K.; Yartys, V. A. Microstructural evolution and improved hydrogenation-dehydrogenation kinetics of nanostructured melt-spun Mg-Ni-Mm alloys. J. Alloys Compd. 2011, 509, S640–S645.
Kitabayashi, K.; Edalati, K.; Li, H. W.; Akiba, E.; Horita, Z. Phase transformations in MgH2-TiH2 hydrogen storage system by high-pressure torsion process. Adv. Eng. Mater. 2020, 22, 1900027.
De Marco, M. O.; Li, Y. T.; Li, H. W.; Edalati, K.; Floriano, R. Mechanical synthesis and hydrogen storage characterization of MgVCr and MgVTiCrFe high-entropy alloy. Adv. Eng. Mater. 2020, 22, 1901079.
Akiyama, T.; Isogai, H.; Yagi, J. Hydriding combustion synthesis for the production of hydrogen storage alloy. J. Alloys Compd. 1997, 252, L1–L4.
Liu, X. F.; Zhu, Y. F.; Li, L. Q. Hydriding and dehydriding properties of nanostructured Mg2Ni alloy prepared by the process of hydriding combustion synthesis and subsequent mechanical grinding. J. Alloys Compd. 2006, 425, 235–238.
Li, L. Q.; Akiyama, T.; Yagi, J. I. Effect of hydrogen pressure on the combustion synthesis of Mg2NiH4. Intermetallics 1999, 7, 201–205.
Li, L. Q.; Akiyama, T.; Kabutomori, T.; Terao, K.; Yagi, J. Hydriding and dehydriding behavior of the product in hydriding combustion synthesis of Mg2NiH4. J. Alloys Compd. 1999, 287, 98–103.
Li, L. Q.; Akiyama, T.; Yagi, J. I. Reaction mechanism of hydriding combustion synthesis of Mg2NiH4. Intermetallics 1999, 7, 671–677.
Liu, X. F.; Zhu, Y. F.; Li, L. Q. Hydriding characteristics of Mg2Ni prepared by mechanical milling of the product of hydriding combustion synthesis. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 2450–2454.
Martinez-Garcia, A.; Navarro-Mtz, A. K.; Reguera, E.; Valera-Zaragoza, M.; Morales-Serna, J. A.; Juarez-Arellano, E. A. Fabrication of ball-milled MgO-Mg(OH)2-hydromagnesite composites and evaluation as an air-stable hydrogen storage material. Int. J. Hydrogen Energy 2020, 45, 12949–12960.
Liska, M.; Al-Tabbaa, A. Performance of magnesia cements in porous blocks in acid and magnesium environments. Adv. Cem. Res. 2012, 24, 221–232.
Jeon, K. J.; Moon, H. R.; Ruminski, A. M.; Jiang, B.; Kisielowski, C.; Bardhan, R.; Urban, J. J. Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. Nat. Mater. 2011, 10, 286–290.
Ruminski, A. M.; Bardhan, R.; Brand, A.; Aloni, S.; Urban, J. J. Synergistic enhancement of hydrogen storage and air stability via Mg nanocrystal-polymer interfacial interactions. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3267–3271.
Cho, E. S.; Ruminski, A. M.; Aloni, S.; Liu, Y. S.; Guo, J. H.; Urban, J. J. Graphene oxide/metal nanocrystal multilaminates as the atomic limit for safe and selective hydrogen storage. Nat. Commun. 2016, 7, 10804.
Wan, L. F.; Cho, E. S.; Marangoni, T.; Shea, P.; Kang, S.; Rogers, C.; Zaia, E.; Cloke, R. R.; Wood, B. C.; Fischer, F. R. et al. Edge-functionalized graphene nanoribbon encapsulation to enhance stability and control kinetics of hydrogen storage materials. Chem. Mater. 2019, 31, 2960–2970.
Shinde, S. S.; Kim, D. H.; Yu, J. Y.; Lee, J. H. Self-assembled air-stable magnesium hydride embedded in 3-D activated carbon for reversible hydrogen storage. Nanoscale 2017, 9, 7094–7103.
Liang, H.; Chen, D. D.; Thiry, D.; Li, W. J.; Chen, M. F.; Snyders, R. Efficient hydrogen storage with the combination of metal Mg and porous nanostructured material. Int. J. Hydrogen Energy 2019, 44, 16824–16832.
Zhang, J. G.; Zhu, Y. F.; Lin, H. J.; Liu, Y. N.; Zhang, Y.; Li, S. Y.; Ma, Z. L.; Li, L. Q. Metal hydride nanoparticles with ultrahigh structural stability and hydrogen storage activity derived from microencapsulated nanoconfinement. Adv. Mater. 2017, 29, 1700760.
Ma, Z. L.; Liu, J. C.; Zhao, Y. Y.; Zhang, J. G.; Zhu, Y. F.; Zhang, Y.; Liu, Y. N.; Li, L. Q. Enhanced dehydrogenation properties of LiAlH4-Mg2NiH4 nanocomposites via doping Ti-based catalysts. Mater. Res. Express 2019, 6, 075067.
Kresse, G.; Furthmüller, J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comp. Mater. Sci. 1996, 6, 15–50.
Maurice, D.; Courtney, T. H. Modeling of mechanical alloying: Part I. Deformation, coalescence, bdand fragmentation mechanisms. Metall. Mater. Trans. A 1994, 25, 147–158.
Maurice, D. R.; Courtney, T. H. The physics of mechanical alloying: A first report. Metall. Trans. A 1990, 21, 289–303.
Ares, J. R.; Cuevas, F.; Percheron-Guégan, A. Mechanical milling and subsequent annealing effects on the microstructural and hydrogenation properties of multisubstituted LaNi5 alloy. Acta Mater. 2005, 53, 2157–2167.
Zeaiter, A.; Chapelle, D.; Cuevas, F.; Maynadier, A.; Latroche, M. Milling effect on the microstructural and hydrogenation properties of TiFe0.9Mn0.1 alloy. Powder Technol. 2018, 339, 903–910.
Park, M.; Shim, J. H.; Lee, Y. S.; Im, Y. H.; Cho, Y. W. Mitigation of degradation in the dehydrogenation behavior of air-exposed MgH2 catalyzed with NbF5. J. Alloys Compd. 2013, 575, 393–398.
Liu, H.; Sun, P.; Bowman, R. C. Jr.; Fang, Z. Z.; Liu, Y.; Zhou, C. S. Effect of air exposure on hydrogen storage properties of catalyzed magnesium hydride. J. Power Sources 2020, 454, 227936.
Park, K. B.; Ko, W. S.; Fadonougbo, J. O.; Na, T. W.; Im, H. T.; Park, J. Y.; Kang, J. W.; Kang, H. S.; Park, C. S.; Park, H. K. Effect of Fe substitution by Mn and Cr on first hydrogenation kinetics of airexposed TiFe-based hydrogen storage alloy. Mater. Charact. 2021, 178, 111246.
Modi, P.; Aguey-Zinsou, K. F. Titanium-iron-manganese (TiFe0.85Mn0.15) alloy for hydrogen storage: Reactivation upon oxidation. Int. J. Hydrogen Energy 2019, 44, 16757–16764.
Manna, J.; Tougas, B.; Huot, J. First hydrogenation kinetics of Zr and Mn doped TiFe alloy after air exposure and reactivation by mechanical treatment. Int. J. Hydrogen Energy 2020, 45, 11625–11631.
De Almeida Neto, G. R.; Beatrice, C. A. G.; Leiva, D. R.; Pessan, L. A. Polymer-based composite containing nanostructured LaNi5 for hydrogen storage: Improved air stability and processability. Int. J. Hydrogen Energy 2020, 45, 14017–14027.
Matusita, K.; Sakka, S. Kinetic study of crystallization of glass by differential thermal analysis-criterion on application of Kissinger plot. J. Non-Cryst. Solids 1980, 38–39, 741–746.
Hjort, P.; Krozer, A.; Kasemo, B. Hydrogen sorption kinetics in partly oxidized Mg films. J. Alloys Compd. 1996, 237, 74–80.
Hou, X. J.; Hu, R.; Zhang, T. B.; Kou, H. C.; Song, W. J.; Li, J. S. Hydrogen desorption performance of high-energy ball milled Mg2NiH4 catalyzed by multi-walled carbon nanotubes coupling with TiF3. Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39, 19672–19681.
Wu, K. Y.; Cai, D. Q.; Shao, K. M.; Xue, T. G.; Zhang, P.; Li, W.; Lin, H. J. Effect of CeH2.73-CeO2 composites on the desorption properties of Mg2NiH4. Front. Chem. 2020, 8, 293.
Selvam, P.; Viswanathan, B.; Srinivasan, V. The influence of atmospheric CO2 on the surface properties of Mg2NiH4 and a comparison with some hydrogen storage alloys. J. Less-Common Metals 1990, 158, L1–L7.
Selvam, P.; Viswanathan, B.; Srinivasan, V. X-ray photoelectron spectroscopic, electrical and magnetic studies on Mg2NiH4. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1988, 46, 357–361.
Wang, L.; Shinohara, T.; Zhang, B. P. XPS study of the surface chemistry on AZ31 and AZ91 magnesium alloys in dilute NaCl solution. Appl. Surf. Sci. 2010, 256, 5807–5812.
Jönsson, M.; Persson, D.; Thierry, D. Corrosion product formation during NaCl induced atmospheric corrosion of magnesium alloy AZ91D. Corros. Sci. 2007, 49, 1540–1558.