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α-三氢化铝的应用

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a.作为电池或燃料电池中贮氢材料的应用(新能源材料)

α-三氢化铝本身含有比液态氢密度还大的氢,因此很适合作为电池或燃料电池的氢源。Graetz等研究发现,在115 ℃以上和0.2 MPa条件下,100 kg粒度为200 nm的纯α-和β-α-三氢化铝的分解速率为1g H2/s,已经达到美国能源部(DOE)50 kW燃料电池性能指标。

在燃料电池车中,氢燃料和氧流入燃料电池堆,生产出驱动发动机的电力,副产品只有水,不会排出温室气体,是绿色汽车领域最理想的方式。目前,α-三氢化铝是燃料电池最理想的储氢材料。

综上所述,可以发现,对α-三氢化铝的合成始于有机合成化学中对还原剂的需要,贮氢材料的发展推动了其进一步发展,作为下一代金属燃烧剂这一应用前景必将迎来对α-三氢化铝更加深入和广泛的研究。目前看来α-三氢化铝尤其适合应用于含能材料。

b.在固体火箭复合固体推进剂及含能材料(炸药)中的应用

固体推进剂是固体火箭发动机的动力源用材料,在导弹和航天技术发展中起着重要作用。目前,由于复合推进剂性能良好、使用温度范围较宽、能量较高,其理论比冲为2205~2697 N·s /kg,各国的固体火箭大多使用复合固体推进剂。金属粉末燃料(如铝粉、镁粉等)是广泛用于复合固体推进剂中能有效提高推进剂体系比冲的重要组分之一,其质量含量约占整个推进剂组分含量的18%。因此,选择更高能量的燃料代替现有的金属粉末燃料是有效提升推进剂能量的方法之一。目前,用于固体推进剂配方中的燃料主要是铝粉,而α-三氢化铝相对于铝粉具有燃烧热更高、可产生气体等优点,可作为高能固体推进剂、固液推进剂和液体推进剂的燃料。α-三氢化铝是由两种强还原性原子结合组成的物质,α-三氢化铝的燃烧过程具有高能特性,在推进剂的燃烧过程中产生氢气,氢气可以促进氧化剂快速燃烧生成xo和H2O并放出大量热能。在固体推进剂中,如α-三氢化铝代替Al粉,可使推进剂比冲显著提高,而且还能改善推进剂的点火和燃烧性能,是复合固体推进剂中金属燃烧剂的理想选择。复合固体推进剂热力学计算的结果显示:若将原复合固体推进剂中Al替换成相应量的气体H2,将导致复合固体推进剂火焰温度降低,燃烧产物的平均分子量降低。通过对比配方AP/HTPB/Al和AP/HTPB/α-三氢化铝发现,使用α-三氢化铝可使复合固体推进剂标准比冲提高20 s,但由于α-三氢化铝的密度小,降低了复合固体推进剂的密度比冲。当α-三氢化铝在复合固体推进剂中使用时,其相容性好,可与硝酸铵、二硝基苯胺、硝酸钾、高氯酸铵、过氧化钠、黑索金、奥克托金、CL-20等氧化剂,与聚乙二醇、叠氮缩水甘油醚、硝基缩水甘油醚、端羟基聚丁二烯等粘合剂,以及可与铝、铍、硼、镁、锆等金属燃烧剂配合使用。由于固体推进剂的很多组分和炸药组分相同,所以在炸药中的应用可以借鉴其在推进剂上的应用经验。

c.在高分子合成化学中作为加成聚合催化剂的应用

在高分子合成领域,α-三氢化铝作为高分子聚合催化剂得到了广泛应用。主要针对加成类聚合反应,如乙烯、丙烯、苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯等的聚合反应,如果需要,α-三氢化铝可以与其它添加剂、颜料、抗氧化剂、润滑剂和增塑剂等配合使用。聚合反应的聚合环境可以是溶液、粘度较大的聚合体系或气相。α-三氢化铝用做聚合催化剂时常以络合物的形式使用。

d.在有机合成化学中作为还原剂的应用

α-三氢化铝分解时能释放原子态的H,因而具有极强的还原性,可以用来还原不饱和的C-C键有机化合物,如烯类和炔类。同时,也可用来还原酮基、醛基、羰基和酯基。在有机合成化学领域中,α-三氢化铝是一种还原效率高、还原性强的还原剂,极大的丰富了复杂分子结构有机化合物的分子设计和合成路线,从而使得许多具有复杂分子结构的有机化合物的合成成为可能。对有机磷类和有机硫类不饱和化合物的还原,α-三氢化铝也有很好的效果。用α-三氢化铝在四氢呋喃中将二苯基磷酸乙酯还原为二苯基亚磷酸乙酯,α-三氢化铝用量为二苯基亚磷酸乙酯的1.1%(质量),反应产率高达98%,且反应条件温和,易于操作。若将以上反应中的二苯基磷酸乙酯换成二苯亚砜,其它原料和反应条件不变,还原反应的产率也高达96%。

e.作为原子层沉积技术中铝膜前躯体的应用

原子层沉积技术(ALD)能够精确控制膜层厚度和组分,同时沉积的薄膜厚度均匀、纯度高、保形性好,近年来广泛应用于半导体集成电路等许多领域。Al2O3一直是理想的表面膜层材料。要制备Al2O3膜层,必须有良好的Al的前躯体。α-三氢化铝(N(CH3)2(C2H5))的络合物(DMEAA)是原子层沉积技术中制备Al2O3膜层的一种性能良好的前躯体,综合性能优于常用的前躯体如AlCl3、Al(CH3)3和Al(CH3)2Cl等。Jeong等人经等离子辅助原子层沉积(PAALD)得到Al膜后氧化,在硅表面得到了厚度为15 nm、折射率为1.68的优质Al膜。


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