H Pd气-固系统中的异常放热现象

    赵佳星 刘洋 柳东杰 卢歆

    

    

    

    摘 要：经压力触发H/Pd气-固系统产生异常放热现象并对相关研究领域实验和理论模型分析。分别进行了22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa系列压力触发实验，在电流为200mA压力200Pa触发时，观测到明显过热现象，放热量为7.701×103J，平均到每个钯原子为6.767×10-17J（0.4KeV）。

    关键词：氢;钯;压力触发;异常放热

    1 绪论

    《BP世界能源统计》杂志发表数据表明人类正走向能源不可持续发展的道路[1]。氢能源的应用能够有效解决环境污染及能源紧缺问题。氢在金属钯中异常放热现象的研究是氢能源应用研究的可行性研究途径，1989年3月23日弗莱希曼和美国犹他大学化学系教授庞斯用电解法电解0.1M氘氧化锂溶液，钯为阴极、铂为阳极，当钯阴极吸收氘通量后，测到无法用物理、化学理论解释的过热[2]，这一结果引起各国关注并投入大量研究。典型实验如下：罗西教授在E-CAT装置中实现了10kW量级半年之久的热功率输出[3];日本三菱重工研究院Iwamura组采用多层膜实验方法，在70℃恒温真空环境中使氘气持续透过多层膜，观察到核嬗变现象，具有良好的重复性[4];田坚实验组在D/Pd气-固系统中发现过热量为280MJ且伴随新物质产生的异常现象[5]。

    2 实验中的异常放热现象

    异常放热现象实验重复性差，理论模型存在争议。现有理论有：李兴中的选择性共振遂穿理论[6];江兴流的涡旋动力场理论[7];苟清泉的全原子理论[8]。能否实现实验的重复性是解决理论研究的关键，一旦有所突破，不但对理论模型建立而且对解决全球能源問题具有革命性意义。因此，我们进行以下实验，寻找解决实验重复性以及理论探索的有效途径。

    2.1 实验材料

    氢气由超纯氢气发生器TH-500产生，纯度为99.999%，直径0.1mm，长度1m，纯度均为99.986%的钯丝。

    2.2 系统热平衡常数k的确定

    系统热平衡常数k是单位输入功率引起系统温度的改变，单位℃/W，如公式（1）所示。k0是氮气环境的系统热平衡常数。△T是单位功率输入后系统温度的变化，△P是钯丝电功率的变化。所以输出功率定义为P输出如公式（2）所示。过热能量定义为E输出如公式（3）所示。

    2.3 实验数据分析

    实验分别进行了22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa及大气压对应实验，得到系统热平衡常数k的相关数据如右表。当输入功率相同时，压力为1100Pa其k值均小于压力为1080Pa的k值，说明并非压力越大，系统热平衡常数k越大，这一现象可以帮助我们在触发实验中选择合适的压力触发范围。

    在压力触发实验时，观测到明显的“过热”现象，尤其是在200Pa的情况下。随着压力逐步上升到240Pa，钯丝的温度最终上升到86℃并趋于稳定，当压力由240Pa陡降至0Pa时，经过约10分钟时间，钯丝温度由86℃进一步上升到92℃（最高温度达到94℃）持续时间为100s，而不是随着压力的突然消失回到初始温度。在出现了“过热”现象之后，钯丝温度陡降到83℃持续了80s，再次陡降到81℃持续200s，直至实验结束。如钯丝温度和压力关系图。在本次实验中，值得我们考虑是的压力陡降后为何会在10分钟时出现钯丝温度突然上升的现象，我们也曾考虑过，压力下降破坏了整个系统的热传导性，但是系统的热传导是否会延时10分钟呢？在钯丝温度下降到81℃之后，温度是否会继续降低，直至与系统所在环境温度持平？

    这一滞后的“过热”现象的产生我们可以尝试用选择性共振隧穿模型进行解释。在共振隧穿过程中，波在传播过程中需要缓慢衰减，达到多次往返反射从而积累足够的能量，而在选择性共振隧穿模型中，这一“孵化”时间需要约104s，反应的衰减过程也需要约104s[9]，从图中可以看出“过热”现象出现在触发实验开始后约10分钟处出现钯丝温度突然上升的现象，这10分钟就是本次实验相对于选择性共振隧穿模型的“孵化”时间。江兴流教授提出的涡旋动力学模型中，扰场作用具有滞后性，也可以解释这10分钟的滞后现象的合理性。此外，在实验反应室内部配有温度检测装置，所得数据可以实时上传、存储，可以进一步排除压力破坏系统热传导性这一现象的存在，进一步证明这段滞后的时间并不是由压力影响产生的，而是反应过程中的一种滞后现象。金属钯为面心立方系结构有良好的储氢性能，氢进入钯的晶格间隙中可以稳定存在，形成PdHX氢化物[10]。钯的活化能接近氢，氢分子分解成氢原子渗透进金属钯中，其表面氧化物PdO易还原，不会因为氧化问题阻止氢原子渗透[11]，这也是本实验选择氢与钯两种材料以及实验可以进行的前提。从上图中可以发现，钯丝温度降到81℃之后到实验结束的这段时间内，温度并未急速下降，在这之后，钯丝是否会再次出现“过热”现象？由于实验时间需要合理控制，未继续观测。在之后的实验中，是否会再次出现“过热”现象将是一个新观察点。“过热”现象在实验中仅出现一次还是如海浪般不断“涌现”将是之后实验中应当观察和思考的方向。

    3 结语

    压力为22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa的触发实验中，当压力为200Pa时，实验系统中观测到明显过热现象，输出能量为7.701×103J。输出能量平均到每个钯原子为6.767×10-17J（0.4KeV）。我们在实验中观测到了异常放热现象，证明了实验的可行性与价值。虽然有一些异常的现象无法解释或观测，但这需要我们通过对实验方法不断改进以及提高实验设备的精密度、检测设备的灵敏度，达到对微观反应过程进行精密监测。

    参考文献：

    [1]谢力.BP世界能源统计2019[J].石油科技动态，2019，000（007）：1-128.

    [2]Fleischmann M，Pons S，Hawkins M.1Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium[J].Journal of Electroanalytical Chemistry，1989，261（2）：301-308.

    [3]Ashby，Barry.E-Cat：The Future of Electricity Generation？[J].Industrial Heating，2012，80（1）.

    [4]Y Iwamura，T Itoh，M Sakano，et al.Proc.ICCF10，Cambridge，USA，[2003-08-24，29]，World Scientific，435-446.

    [5]Xin Lu，Jian Tian.Abnormal Heat Liberation Triggered by Current in a D/Pd Gas-Solid System[J].Russian Journal of Physical Chemistry A，2015，89：1476-1481.

    [6]李兴中，刘斌，魏清明，等.核聚变中的核物理问题[J].核聚变与等离子体物理，2004，024（001）：29-32.

    [7]江兴流，刘锐，王怀义，等.冷核聚变十五年.原子核物理评论，2004，21（4）：422-424.

    [8]芶清泉.冷聚变的全原子论[J].原子与分子物理学报，2009（06）：989-992.

    [9]刘斌.氘通量透钯时引发的异常发热现象的研究[D].清华大学，2009.

    [10]Cser L，Torok G，Krexner G，et al.Neutron holographic study of palladium hydride[J].Applied Physics Letters，2004，85（7）：1149-1151.

    [11]贾志华，马光，王轶，等.钯在储氢材料中的作用与应用[J].中国材料科技与设备，2012，8（6）：15-19.

    自然基金非共识项目：本项工作得到了国家自然基金委支持，受国家自然科学基金资助（编号：21703014）