The sequence of bond overlap population of metal hydrogen binding is in Al-H > Fe-H > Zr-H > V-H. This results shows the binding energy of Al-H is the biggest in this metals (Al, Fe, Zr, and V) and hydrogen interaction. The Vanadium-hydrogen binding shows the weakest binding energy compared to other metals and it causes easy hydrogen desorption from the corresponding metals. The net charge of Al-H show the biggest value of 0.2248 and the severe localizations of electrons around aluminum and imply strongest covalent binding nature in these metals. This study is applicable to the purification of hydrogen in other bulk gas.
In order to utilize hydrogen energy in a large-scale in the future, development of effective hydrogen storage method is essentially required as well as that of efficient hydrogen production method. The hydrogen storage method using metal hydrides has been holding the spotlight as a safer and higher-density hydrogen storage method than conventional hydrogen storage methods such as liquid hydrogen or compressed hydrogen storage method. However when metals react with hydrogen to store hydrogen as metal hydrides, they undergo exothermic reactions, while metal hydrides evolve hydrogen by endothermic reaction. Therefore, hydrogen storage tank should have such structure that it can absorb or release reaction heat rapidly and efficiently. In this study, a review on the improvement of the heat release and absorption structure in the hydrogen storage tank was conducted, and as a result, a new type of hydrogen storage tank with the structure of vertical-type wall was designed and manufactured. Experimental results showed that this new type of tank could be used as an efficient hydrogen storage tank because its structure is simpler and manufacture is easier than cup-type hydrogen storage tank with the structure of packed horizontal cup.
The cycling characteristics of $MgH_2$ made by hydriding chemical vapor deposition method have been investigated. The particle size of $MgH_2$ made by HCVD was about $1{\mu}m$. The cycling experiment was performed by measuring hydrogen quantity absorbed at 673 K and under 35 atm of hydrogen pressure for 30 min. Up to 3 cycles the hydrogen storage capacity increased, but from 4 to 6 cycles the hydrogen storage capacity decreased rapidly. During this cycling test the particle size increased gradually from $1{\mu}m$ to $6{\mu}m$. This increase was due to sintering by the high reaction temperature and the heat of reaction during hydrogen absorption. From 7 to 30 cycles, the hydrogen storage capacity was maintained at 5.8 wt%. Even after 30 cycles, the plateau pressure was constant.
Mg-23.5 wt%Ni-xwt%Cu (x = 2.5, 5 and 7.5) samples for hydrogen storage were prepared by melt spinning and crystallization heat treatment from a Mg-23.5 wt%Ni-5 wt%Cu alloy synthesized by the gravity casting method. They were then ground under $H_2$ to obtain a fine powder. Among these samples the Mg-23.5Ni-2.5Cu sample had the highest hydriding and dehydriding rates after activation. The Mg-23.5Ni-2.5Cu sample absorbed 3.59 and 4.01 wt%H for 10 and 60 min, respectively, at 573K under 12 bar $H_{2}$. The activated 88(87.5Mg-10Ni-2.5Cu)-$5Nb_{2}O_{5}-7NbF_{5}$ sample absorbed 2.93 wt%H for 10 min, and 3.14 wt%H for 60 min at 573K under 12 bar $H_{2}$.
Graphene (multilayer graphene) was chosen as an additive to improve the hydrogen uptake and release properties of magnesium (Mg). Five weight percent of graphene was added to pre-milled Mg by milling in hydrogen (reaction-involving milling). The hydrogen uptake and release properties of the graphene-added Mg were investigated. The activation of Mg-5graphene, which was prepared by adding 5 wt% graphene to Mg pre-milled for 24 h, was completed after the second cycle (cycle number, CN=2). Mg-5graphene had a high effective hydrogen-storage capacity (the quantity of hydrogen absorbed for 60 min) of 6.21 wt% at CN=3 at 593 K in 12 bar $H_2$. At CN=1, Mg-5graphene released 0.46 wt% hydrogen for 10 min and 4.99 wt% hydrogen for 60 min. Milling in hydrogen is believed to create defects (leading to facilitation of nucleation), produce cracks and clean surfaces (leading to increase in reactivity), and decrease particle size (leading to diminution of diffusion distances or increasing the flux of diffusing hydrogen atoms). The added graphene is believed to have helped the sample have higher hydrogen uptake and release rates, weakly but partly, by dispersing heat rapidly.
Hydrogen and hydrogen energy have been recognized as clean energy sources and high energy carrier. Mg and Mg alloys are attractive hydrogen storage materials because of their lightweight and low cost materials with high hydrogen capacity (about 7.6 wt.%). However, the commercial applications of the Mg hydrides are currently hinder by its high absorption/desorption temperature, and very slow reaction kinetics. However, Ti and Ti based hydrogen storage alloys have been thought to be the third generation of alloys with a high hydrogen capacity, which makes it difficult to handle because of high reactivity. One of the most methods to develope kinetics was addition of transition metal. Therefore, Mg-Ti-Cr-Nb alloy was fabricated to add TiCrNb by hydrogen induced mechanical alloying. TiCrNb systems have included transition metals, low operating temperatures and hydrogen storage materials. As-received specimens were characterized using X-ray Diffraction analysis (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Thermo Gravimetric analysis/Differential Scanning Calorimetry (TG/DSC). $Mg-TiCr_{10}Nb$ systems were evaluated for hydrogen kinetics by Sievert's type Pressure-Composition-Isotherm (PCI) equipment. The operating temperature range was 473, 523, 573 and 623 K.
The binding ability and hydrogen storage capacity of nitrogen doped carbon nanotube with divacancy (4NDCNxNT) that is decorated with transition metals was investigated based on density functional theory calculations. Results indicate that scandium shows an ideal reversible hydrogen binding capability with promising system-weight efficiency compared with other transition metals when functionalized with 4ND-CNxNT. The (Sc/4ND)10-CNxNT can store up to 50H2 molecules, corresponding to a maximum gravimetric density of 5.8 wt%. Detailed structural stability and electronic properties were reported as hydrogen molecules were absorbed. It takes about 0.16 eV/H2 to add one H2 molecule, which assures reversible storage of H2 molecules under ambient conditions.
본 총설에서는 최근 주로 연구되고 있는 활성탄, 탄소나노튜브, 팽창 흑연 및 활성 탄소 섬유 등 다공성 탄소재료를 중심으로 수소 저장량을 증대시키기 위한 기술 및 기 발표된 수소저장량과 그 장 단점에 대하여 고찰하였다. 수소저장능을 향상시키기 위한 탄소 내 기공의 최적의 크기는 0.6~0.7 nm로 조사되었다. 촉매의 경우 전이금속 및 그 금속산화물이 많이 이용되었으며, 주로 다공성 탄소재료에 도핑을 통해 수소저장능을 향상시켰다. 수소저장 매체인 다공성 탄소재료 중에서 활성탄은 대량생산이 가능하여 가격이 비교적 저렴한 장점이 있고 탄소나노튜브는 튜브의 튜브간 공간 외에도 내부공간에 수소를 저장할 수 있는 공간이 수소저장에 활용될 수 있다는 장점이 있다. 팽창 흑연은 흑연의 층 사이에 알칼리 금속의 삽입 시 층간 거리가 팽창하여 수소저장에 용이하고, 활성탄소섬유는 높은 비표면적과 발달된 미세기공이 수소흡착에 크게 기여한다는 점이 있다. 이러한 기존의 연구로 고려해 볼 때 다공성 탄소재료는 아직 달성되지 못한 DOE의 수소저장 목표치에 도달하기 위한 주요 유망한 후보재료 중의 하나이다.
Kim, Min Gyeom;Han, Jeong-Heum;Lee, Young-Hwan;Son, Jong-Tae;Hong, Tae Whan
대한금속재료학회지
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제56권11호
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pp.829-834
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2018
Although magnesium-based alloys are attractive materials for hydrogen storage applications, their activation properties, hydrogenation/dehydrogenation kinetics, thermodynamic equilibrium parameters, and degradation characteristics must be improved for practical applications. Further, magnesium poses several risks, including explosion hazard, environmental pollution, insufficient formability, and industrial damage. To overcome these problems, CaO-added Mg alloys, also called Eco-Mg (environment-conscious Mg) alloys, have been developed. In this study, $Eco-MgH_x$ composites were fabricated from Mg-CaO chips by hydrogen-induced mechanical alloying in a high-pressure atmosphere. The balls-to-chips mass ratio (BCR) was varied between a low and high value. The particles obtained were characterized by X-ray diffraction (XRD), and the absorbed hydrogen was quantified by thermogravimetric analysis. The XRD results revealed that the $MgH_2$ peaks broadened for the high BCR. Further, PSA results revealed particles size were decreased from $52{\mu}m$ to $15{\mu}m$.
Mg-x wt% $Fe_2O_3-y$ wt% Ni samples were prepared by reactive mechanical grinding in a planetary ball mill, and their hydrogen-storage properties were investigated and compared. Activations of $Mg-5Fe_2O_3-5Ni$ was completed after one hydriding (under 12 bar $H_2$) - dehydriding (in vacuum) cycle at 593 K. At n = 2, $Mg-5Fe_2O_3-5Ni$ absorbed 3.43 wt% H for 5 min, 3.57 wt% H for 10 min, 3.76 wt% H for 20 min, and 3.98 wt% H for 60 min. Activated $Mg-10Fe_2O_3$ had the highest hydriding rate, absorbing 2.99 wt% H for 2.5 min, 4.86 wt% H for 10 min, and 5.54 wt% H for 60 min at 593 K under 12 bar $H_2$. Activated $Mg-10Fe_2O_3-5Ni$ had the highest dehydriding rate, desorbing 1.31 wt% H for 10 min, 2.91 wt% H for 30 min, and 3.83 wt% H for 60 min at 593 K under 1.0 bar $H_2$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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