近日，Chemical Engineering Journal在线发表了新疆大学孙耀宁教授团队最新研究成果 “Liquid metal-mediated activation mechanism of aluminum alloys for enhanced hydrogen generation in aqueous environments”。新疆大学机械学院博士研究生Acong Meng为论文第一作者，新疆大学孙耀宁教授为通讯作者，新疆大学为第一署名单位。

  由于氢气易燃易爆，储存和运输成本高且存在安全风险。该研究团队聚焦于通过熔炼含铝液态金属来制备铝合金锭，用于水解产氢，以实现各种场景下的实时按需供氢。基于液态金属的热力学特性，团队利用相图计算和经验方法进行成分设计，并联合第一性原理计算与实验验证，发现铝中的镓固溶体能够抑制氧化膜的形成，而析出的第二相则通过“通道效应”促进氢气产生。通过精确控制成分为Al-5%Ga-3%In-1%Sn，并在80℃的反应温度下，该铝合金在去离子水中水解，20分钟内的产氢效率即可超过99%，且氢气纯度高达99.99%。

图1 样品1-3的铝合金断裂形貌（a1-a3）；析出第二相点扫描结果（b1-b3）

图2 样品1-3的能量色散谱（EDS）结果：Al-5%Ga-3%In-1%Sn（a1-e1）、Al-3%Ga-3%In-1%Sn（a2-e2）和Al-1%Ga-3%In-1%Sn（a3-e3）

  该研究通过“实验+模拟”相结合的方法，对液态合金的成分优化进行了研究，重点分析了铝合金中液态金属的多种形态及其对制氢性能的影响，得出以下结论。首先，氢的转化效率和反应动力学对温度和镓含量非常敏感：当镓含量达到3%或5%，且温度不低于50℃时，氢转化率可以稳定超过95%；温度每升高30℃，反应时间能缩短80%。例如，将温度从20℃提升到50℃，即使仅含1%的镓，氢转化率也能提高67.58%。其次，微观结构方面，在固定铟与锡的比例为3:1的前提下，增加镓含量会使第二相沉淀物变得更细小、分布更均匀，并形成圆整的形态。镓优先固溶到铝基体中，起到稳定铝表面、抑制氧化膜的作用；多余的镓则在晶界处形成共晶的铝-镓-铟-锡相，从而增强界面反应活性。最后，机制分析表明：镓一方面以固溶原子形式存在（通过第一性原理计算验证），帮助抑制氧化物形成；另一方面以共晶沉淀物形式存在，为铝在液态合金-水界面持续溶解提供反应通道。

  在该研究工作中，新疆大学分析测试中心围绕相关研究方向提供扫描电子显微镜形貌分析（日立SU8600，负责人：施敏）。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725105901

供稿：施敏；编辑：施敏；审核：金钟。