Fernández Albanesi, Luisa F. (2017) Hidruros complejos del sistema Li-N-H para almacenamiento y purificación de hidrógeno: preparación, caracterización y estudio de factibilidad. / Complex hydrides of the Li-N-H system for hydrogen storage and purification: preparation, characterization and feasibility study. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
El desarrollo de esta Tesis de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería se centra en el estudio de materiales del tipo Li-N-H para almacenamiento de hidrógeno. Con el objeto de mejorar las propiedades de este material en su comportamiento frente al hidrógeno se partió de distintos reactivos y se incorporaron aditivos. Se realizo la caracterizacion estructural y quimica de los sistemas obtenidos y se analizo el comportamiento termodinámico y cinético en las reacciones de interacción con el gas hidrógeno. Las muestras fueron procesadas mediante molienda mecánica con el objeto de modifi car las propiedades microestructurales del sistema, facilitando la interacción con hidrógeno y ademas para asegurar una mezcla homogénea entre los materiales de partida. En primer lugar se empleo Li_3N como reactivo inicial, mas LiH para formar el sistema LiNH_2-LiH. Se realizaron moliendas mecánicas de distinta duración buscando modificar el material de partida y también se agrego Li_2O con este mismo objetivo. Luego se estudio la reversibilidad del sistema Li-N-H a partir de la mezcla LiNH_2-LiH y se optimizaron las proporciones de los dos reactivos (1LiNH_2:1,6LiH ) para evitar la perdida de capacidad de almacenamiento debido a la formación y liberación de NH_3. Se establecieron los rangos de temperatura y de presión en los que el material presenta la máxima capacidad de almacenamiento, sin perjuicio sobre la velocidad de reacción. Al llegar a este punto, en el que se obtuvo un sistema capaz de almacenar hidrógeno en forma reversible, el trabajo fue orientado a mejorar las propiedades cinéticas de Li-N-H mediante el agregado de AlCl_3 buscando reemplazar los iones Li+ por Al"3+ y producir vacancias. Se agregaron distintas concentraciones de este aditivo, la mas baja (1 %molar) fue para analizar el comportamiento cinético y las mas altas (3, 5 y 10 %molar) para comprender el rol de los iones Al"3+ y Cl en el cambio de estructura del sistema inicial Li-N-H. Se logro mejorar las propiedades de almacenamiento y la estabilidad del sistema y se obtuvo un material capaz de almacenar 5 %masa de hidrógeno en forma reversible a 275 ºC y 700 kPa a partir de los reactivos LiNH_2- LiH -AlCl_3. Mediante las técnicas de caracterización DRX, FTIR y RMN se demostró la incorporación del Al"3+ en la estructura del LiNH_2, cuando el AlCl_3 es agregado en bajas concentraciones, y la formación de una nueva familia de compuestos del tipo Li-Al-N- H-Cl, con concentraciones mayores de AlCl_3. Finalmente, sobre el material con AlCl_3 agregado (1%molar) y a la temperatura de 275 ºC se analizo la posibilidad de utilizar este sistema como un material capaz de almacenar y purificar hidrógeno. Se realizaron ensayos con una corriente de H_2 con 1000 ppm de CO. Los resultados en las cinéticas de desorción y absorción no muestran una variación apreciable frente al comportamiento de la misma muestra con H_2 puro en el numero de ciclos estudiados. La presente Tesis proporciona estudios asociados a materiales del sistema Li-N-H capaces de almacenar hidrógeno. Ademas, contribuye con el desarrollo de compuestos del tipo amiduro-cloruro de aluminio, los que han demostrado absorber y desorber hidrógeno en forma reversible
Resumen en inglés
This PhD Thesis is focused on the study of a Li-N-H system for hydrogen storage. In order to improve its storing properties, different reactives were used and some additives were considered to study the behaviour of the system interacting with H_2. Structural and chemical characterizations were carried out over the samples, and the thermodynamic and kinetic behaviours were analysed. The starting samples were mechanically milled to modify the microstructural properties of the system. In this way, the hydrogen interaction with the samples was improved and the samples were homogenized. In the first place, Li_3N was used as a starting reactive with the addition of LiH to form the LiNH_2-LiH system. The mechanical milling was performed for different times to modify the starting material, as well as adding Li_2O for the same purpose. Then, the reversibility of the Li-N-H system was studied from the LiNH_2-LiH mixture. The proportions of LiH were optimised to avoid ammonia formation and release. From the information obtained from previously performed experiments, temperature and pressure intervals were set. At this stage where we had obtained a material able to store H_2 reversibly, the research was aimed at improving the kinetic properties of the Li-N-H system by adding AlCl3 with the purpose of replacing the Li+ ions for Al"3+ ions to produce vacancies. Aluminum chloride was added in different concentrations, the lowest concentration (1 molar%) was used to study the kinetic behaviour, and the highest ones (3, 5 and 10 molar%) to understand the role of the Al"3+ and Cl ions in the structural change of the starting Li-N-H system. The system stability and storage properties were improved and a material capable of storing 5 wt% reversibly at 275 ºC and 700 kPa was obtained from the LiNH_2, LiH and AlCl_3 reactives. XRD, FTIR and NMR were used to characterise the Al"3+ incorporation in the LiNH_2 structure when the AlCl_3 concentration was low, and the formation of a new phase of Li-Al-N-H-Cl type when AlCl_3 concentration was higher. Finally, the Li-N-H system with added AlCl_3 (1 molar%) was analysed for the possibility of using this material to store and purify mixtures of gases. Tests were carried out with a mixture of H_2 with 1000 ppm of CO at 275 ºC. The results of the absorption and desorption behaviour did not show any noticeable variation compared to the behaviour of the same sample with pure H_2 in the number of cycles performed in this work. This Thesis shows studies linked with materials of the Li-N-H system able to store hydrogen. Furthermore, it contributes to developing of compounds aluminum amide-chloride type, which have been demonstrated absorb and desorb hydrogen in a reversible way.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Hydrogen, Hidrógeno; Storage; Almacenamiento; Lithium; Litio; Aluminium; Aluminio; Purification; Purificación; [Amide; Amiduro] |
| Referencias: | [1] Schlapbach L., Zuttel A. Nature, 414, 353 - 358, 2001. [2] Chorkendorf I., Neimantsverdriet J. Weinheim, (1ra. Edición), 2003. [3] Hohne G., Hemminger W., Flammersheim H.-J. Editorial Springer, 1996. [4] Thomas J., Tellgren R. Solid State Ionics, 5, 407, 1981. [5] Wang J., Li H.-W., Chen P. Materials Research Society, 38, 480 - 486, 2013. [6] Orimo S., Nakamori Y., Eliseo J., Zuttel A., Jensen C. Chemical Reviews, 107 (10), 4111 - 4132, 2007. [7] Eberle U., Felderho M., Schuth M. Angewandte Chemie, 48 (36), 6563{6739, 2009. [8] Mandal T., Gregory D. Annual Reports Section A (Inorganic Chemistry), 105, 21 - 54, 2009. [9] Chen P., Xiong Z., Luo J., Lin J., Tan K. Nature, 420, 302 { 304, 2002. [10] Veleckis E. Journal Nuclear Materials, 79 (20), 1979. [11] Xiong Z., Wu G., Hu J. Advanced Materials, 16 (1522), 2004. [12] Wang W., Yuan W., Song Y., Chen X. Journal of Alloys and Compounds, 352, 103 - 105, 2003. [13] Sorby M., Nakamura Y., Brinks H., Ichikawa T., Hino S., Fujii H., et al. Journal of Alloys and Compounds, 428 (297), 2007. [14] Balogh M., Jones C., Herst J., Hector L., Kundrat M. Journal of Alloys and Compounds, 420 (326), 2006. [15] Rijssenbeek J., Gao Y., Hanson J., Hunag C., Jones C., Toby B. Journal of Alloys and Compounds, 454 (233), 2008. [16] Noritake T., Aoki M., Matsumoto M., Miwa S., Towata S., Li H., et al. Journal of Alloys and Compounds, 509 (7553), 2011. [17] David W., Jones M., Gregory D., Jewell C., Johnson S., Walton A., et al. Journal of American Chemical Society, 129 (1594), 2007. [18] Hu Y., Ruckenstein E. Industrial and Engineering Chemistry Research, 44 (5), 1510-1513, 2005. [19] Ichikawa T., Isobe S., Hanada N., Fujii H. Journal of Alloys and Compounds, 365, 271-276, 2004. [20] Chen P., Xiong Z., Luo J., Lin J., Tan K. Journal of Physical Chemistry B, 107 (39), 10967-10970, 2003. [21] Fuster V. Preparación, caracterización y optmización de aleaciones base magnesio para almacenamiento de hidrógeno. Tesis carrera de doctorado en Ciencias de la Ingeniería, Instituto Balseiro, 2010. [22] Abdellaoui M., Gaffet E. Journal de Physique IV, 4, 291-296, 1994. [23] Verón M. Producción, caracterización y estudio de los hidruros complejos del sistema Mg-Co-H para aplicaciones en almacenamiento de hidrógeno. Tesis carrera de doctorado en Física, Instituto Balseiro, 2012. [24] Puszkiel J. Preparacion, estudio y optimización de hidruros complejos para almacenamiento de hidrógeno. Tesis carrera de doctorado en Ciencias de la Ingeniería, Instituto Balseiro, 2010. [25] Goldstein J., Newbury D., Joy D. Scanning electron microscopy and x-ray microanalysis. Kluwer Academic/Plenum Publishers, Third Edition, 2000. [26] Brunauer S., Emmett P., Teller E. Journal of American Society, 60, 1938. [27] Interaction of hydrogen with metal nitrides and imides. [28] Blach T., Gray E. Journal of Alloys and Compounds, 446 -447, 692 - 697, 2007. [29] Dafert F., Miklauz R. Monatshefte fur Chemie, 31, 981, 1910. [30] Ru O., Goeres H. Chem. Ber., 44, 502, 1911. [31] Duncan H. Coordination Chemistry Reviews, 215 (1), 301 - 345, 2001. [32] Mali M., Roos J., Brinkmann D. Physical Review B, 36, 3888-3890, 1987. [33] Beister H. J., Haag S., Kniep R., Strossner K., Syassen K. Angewandte Chemie International Edition in English, 27, 1101-1103, 1988. [34] Lazicki A., Maddox B., Evans W., Yoo C.-S., McMahan A., Pickett W., et al. Physical Review Letters, 95, 165503-1, 2005. [35] Addison C., Davis B. Journal of Chemical Society A, pag. 1827, 1969. [36] Down M., Hubberstey P., Pulham R. Journal Chemistry Society Dalton Tran- sactions, pag. 1490, 1975. [37] Addison C. The chemistry of the liquid alkali metals, 1984. [38] Zintl E., Brauer Z. Elektrochemie, 41, 102, 1935. [39] Rabenau A., Schulz H. Journal of the less-common metals, pag. 155, 1976. [40] Boukamp B., Huggins R. Materials Research Bulletin, 13 (2), 23-32, 1978. [41] Schultz H., Thiemann. Acta Crystallography Section A, 35, 309, 1979. [42] Diert K., Messer R. Journal of Physics C, 13, 717, 1980. [43] Gregory D., Meara P., Gordon A., Hodges J., Short S., Jorgensen J. Chemistry of Materials, pag. 2063, 2002. [44] Wahl J. Solid State Communication, 29, 485, 1979. [45] Hooper A., Laap T., Skaarup S. Material Research Bulletin, 14, 1617, 1979. [46] Bell M., Breitschwerdt A., von Alpen U. Material Research Bulletin, pag. 267, 1981. [47] Brinkmann D., Freudenreich J., Ross J. Solid State Communications, 28, 233, 1978. [48] Messer R., Birli H., Diert K. Journal of Physics C, 14, 14, 1981. [49] Bertold-Schweickert E., Mali M., Roos J., Brinkmann D. Physical Review B, 30, 2891, 1984. [50] Ho A., Granger M., Ruo A., Van Camp P., Van Doren V. Physical Review B, 59, 6083, 1999. [51] Hu Y., Ruckenstein E. Journal of Physical Chemistry A, 107, 9737-9739, 2003. [52] Hu Y., Ruckenstein E. Industrial and Engineering Chemistry Research, 43, 2464- 2467, 2004. [53] Hu Y., Yu N., Ruckenstein E. Industrial and Engineering Chemistry Research, 43, 4174-4177, 2004. [54] Langmi H., Culligan S., McGrady G. Journal of Power Sources, 195, 2003-2007, 2010. [55] Huq A., Richardson J., Maxeya E., Chandra D., Chien W.-M. Journal of Alloys and Compounds, 436, 256-260, 2007. [56] Prosini P., Cardellini F. Electrochemistry Communications, (4), 853-856, 2002. [57] Shawa L., Rena R., Markmaitree W., T.and Osborn. Journal of Alloys and Compounds, 448, 263-271, 2008. [58] Ichikawa T., Fujii H. Applied Physics Letters, 86, 241914, 2005. [59] Chandra D., Joshua L., Chien W.-M., Gantan I., Yvon K., Phanon D., et al. DOE Hydrogen Program, FY 2009 Annual Progress Report, 2009. [60] Weidner E., Bull I., D.J. and. Shabalin, Keens S., Telling M., Ross D. Chemical Physics Letters, 44, 76-79, 2007. [61] David W., Jones M., Gregory D., Jewell C., Johnson S., Walton A., et al. Journal of American Chemical Society, 129, 1594-1601, 2007. [62] Li W., Wu G., Moyses Araujo C., Scheicher R., Blomqvist A., Ahuja R., et al. Energy and Environmental Science, 3, 1524-1530, 2010. [63] Titherley A. Journal of the Chemical Society, pag. 504, 1894. [64] Leng H., Ichikawa T., Isobe S., Hinoa S., Hanada N., Fujii H. Journal of Alloys and Compounds, 404-406, 443-447, 2005. [65] Juza R., Opp K. Anorganische Und Allgemeine Chemie, 266, 325, 1951. [66] Jacobs H., Juza R. Anorganische Und Allgemeine Chemie, 391, 271, 1972. [67] Grotjahn D., Sheridan P. Journal of American Chemical Society, 123, 5489, 2001. [68] Yang J., Zhou X., Cai Q., James W., Yelon W. Applied Physics Letters, 88, 041914, 2006. [69] Chellappa R., Chandra D., Somayazulu M., Gramsch S., Hemley R. Journal of Physical Chemistry B, 111, 10785-10789, 2007. [70] Miwa K., Ohba N., Towata S., Nakamori Y., Orimo S. Journal of Physical Chemistry B, 71, 195109, 2005. [71] Herbts J., Hector L. Physical Review B, 72, 125120, 2005. [72] Song Y., Guo Z. Physical Review B, 74, 195120, 2006. [73] Tsumuraya T., Shishidou T., Oguchi T. Journal of Alloys and Compounds, 323, 446-447, 2007. [74] Kojima Y., Kawai Y. Journal of Alloys and Compounds, 395, 236-239, 2005. [75] Bohger J.-P., R.R. E., Jacobs H. Journal of Molecular Structure, 348, 325-328, 1995. [76] Hu Y., Ruckenstein E. Industrial and Engineering Chemistry Research, 45, 493, 2006. [77] Ohoyama K., Nakamori Y., Orimo S., Yamada K. Journal of the Physical Society of Japan, 74, 483, 2005. [78] Noritake T., Nozaki H., Aoki M., Towata S., Kitahara G., Nakamori Y., et al. Jounal of Alloys and Compounds, 393, 264, 2005. [79] Mueller T., Ceder G. Physical Review B, 74, 134104, 2006. [80] Magyari-Kope B., Ozolins V.,Wolverton C. Physical Review B, 73, 220101, 2006. [81] Crivello J.-C., Gupta M., Cerny R., Latroche M., Chandra D. Physical Review B, 81, 104113, 2010. [82] Aguey-Zinsou K., Yao J., Guo Z. Journal of Physical Chemistry B, 111, 12531- 12536, 2011. [83] Ichikawa T., Hanada N., Isobe S., Leng H., Fujii H. Journal of Physical Chemical B, 108 (7887), 2004. [84] Isobe S., Ichikawa T., Hanada N., Leng H., Fichtner M., Fuhr O. Journal of Alloys and Compounds, 404-406, 439-442, 2005. [85] Isobe S., Ichikawa T., Kojima Y., Fujii H. Journal of Alloys and Compounds, 446-447, 360-362, 2007. [86] Yao J., Shang C., Aguey-Zinsou K., Guoa Z. Journal of Alloys and Compounds, 432, 277-282, 2007. [87] Matsumoto M., Haga T., Kawai Y., Kojima Y. Journal of Alloys and Compounds, 439, 358{362, 2007. [88] Isobe S., Hino T., S. Ichikawa, Kojima Y. Applied Physics Letters, 99, 013101, 2011. [89] Nakamori I., Orimo S. Materials Science and Engineering B, 108, 48-50, 2004. [90] Nakamori I., Orimo S. Journal of Alloys and Compounds, 370, 271-275, 2004. [91] Nayebossadri S., Aguey-Zinsou K., Guo Z. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 7920-7926, 2011. [92] Jankovic B., Adnadevic B., Mentus S. Chemical Engineering Science, 63, 567 - 575, 2008. [93] Nayebossadri S., Aguey-Zinsou K. Physical Chemistry Chemical Physics, 13, 17683-17688, 2011. [94] Anderson P., Chater P., Hewett D., Slater P. Faraday Discussions, 151, 271-284, 2011. [95] Janot R., Eymery J., Tarascon J. Journal of Physics Chemical C, 111, 2335, 2007. [96] Xiong Z., Wu G., Hu J., Liu Y., Chen P., Luo W., et al. Advanced Functional Materials, 17, 1137, 2007. [97] Eymery J.-B., Tru andier L., Charpentier T., Chotard J.-N., Tarascona J.-., Janot R. Journal of Alloys and Compounds, 503, 194-203, 2010. [98] Pinkerton F. Journal of Alloys and Compounds, 400, 76-82, 2005. [99] Markmaitree T., Ren R., Shaw L. Journal of Physical Chemistry B, 110, 20710{ 20718, 2006. [100] Laborde M., Abello M., Aguirre P., Amodeo N., Bussi J., Corti H., et al. Producción y purificación de hidrógeno a partir de bioetanol y su aplicacion en pilas de combustible. CYTED Ciencia y Tecnología para el desarrollo, 2006. [101] Uehara I. Energy Carriers and Convertion Systems, 1, 2007. [102] Block F., Bahs H.-J. Journal of the Less-Common Metals, 89, 77-84, 1983. [103] Eisenberg F., Goodell P. Journal of the Less-Common Metals, 89, 55-62, 1983. [104] Wang X.-H., Iwata K., S. S. Journal of Alloys and Compounds, 231, 829-834, 1995. [105] Kim T.-H., Choi J.-S., Choo K.-Y., J.-S. S., Jeong H. WHC, 16, 2006. [106] Han S., Zhang S., X.and Shi, Tanaka H., Kuriyama N., Taoka N., Aihara K., et al. Journal of Alloys and Compounds, 446{447, 208-211, 2007. [107] Lototsky M., Williams M., Yartys V., Klochkoa Y., Linkov V. Journal of Alloys and Compounds, 509S, S555-S561, 2011. [108] Hu Y., Ruckenstein E. Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 5940- 5942, 2007. [109] Sun F., Yan M., Ye J., Liu X., Jiang L. Journal of Alloys and Compounds, (616), 47-50, 2014. |
| Materias: | Ingeniería > Energías alternativas |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Fisicoquímica de materiales |
| Código ID: | 783 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 26 Feb 2019 15:05 |
| Última Modificación: | 26 Feb 2019 15:09 |
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