H Pd氣-固系統(tǒng)中的異常放熱現(xiàn)象

趙佳星 劉洋 柳東杰 盧歆

摘 要：經(jīng)壓力觸發(fā)H/Pd氣-固系統(tǒng)產(chǎn)生異常放熱現(xiàn)象并對相關研究領域?qū)嶒灪屠碚撃Ｐ头治?。分別進行了22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa系列壓力觸發(fā)實驗，在電流為200mA壓力200Pa觸發(fā)時，觀測到明顯過熱現(xiàn)象，放熱量為7.701×103J，平均到每個鈀原子為6.767×10-17J（0.4KeV）。

關鍵詞：氫;鈀;壓力觸發(fā);異常放熱

1 緒論

《BP世界能源統(tǒng)計》雜志發(fā)表數(shù)據(jù)表明人類正走向能源不可持續(xù)發(fā)展的道路[1]。氫能源的應用能夠有效解決環(huán)境污染及能源緊缺問題。氫在金屬鈀中異常放熱現(xiàn)象的研究是氫能源應用研究的可行性研究途徑，1989年3月23日弗萊希曼和美國猶他大學化學系教授龐斯用電解法電解0.1M氘氧化鋰溶液，鈀為陰極、鉑為陽極，當鈀陰極吸收氘通量后，測到無法用物理、化學理論解釋的過熱[2]，這一結(jié)果引起各國關注并投入大量研究。典型實驗如下：羅西教授在E-CAT裝置中實現(xiàn)了10kW量級半年之久的熱功率輸出[3];日本三菱重工研究院Iwamura組采用多層膜實驗方法，在70℃恒溫真空環(huán)境中使氘氣持續(xù)透過多層膜，觀察到核嬗變現(xiàn)象，具有良好的重復性[4];田堅實驗組在D/Pd氣-固系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)過熱量為280MJ且伴隨新物質(zhì)產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象[5]。

2 實驗中的異常放熱現(xiàn)象

異常放熱現(xiàn)象實驗重復性差，理論模型存在爭議?，F(xiàn)有理論有：李興中的選擇性共振遂穿理論[6];江興流的渦旋動力場理論[7];茍清泉的全原子理論[8]。能否實現(xiàn)實驗的重復性是解決理論研究的關鍵，一旦有所突破，不但對理論模型建立而且對解決全球能源問題具有革命性意義。因此，我們進行以下實驗，尋找解決實驗重復性以及理論探索的有效途徑。

2.1 實驗材料

氫氣由超純氫氣發(fā)生器TH-500產(chǎn)生，純度為99.999%，直徑0.1mm，長度1m，純度均為99.986%的鈀絲。

2.2 系統(tǒng)熱平衡常數(shù)k的確定

系統(tǒng)熱平衡常數(shù)k是單位輸入功率引起系統(tǒng)溫度的改變，單位℃/W，如公式（1）所示。k0是氮氣環(huán)境的系統(tǒng)熱平衡常數(shù)?！鱐是單位功率輸入后系統(tǒng)溫度的變化，△P是鈀絲電功率的變化。所以輸出功率定義為P輸出如公式（2）所示。過熱能量定義為E輸出如公式（3）所示。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗分別進行了22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa及大氣壓對應實驗，得到系統(tǒng)熱平衡常數(shù)k的相關數(shù)據(jù)如右表。當輸入功率相同時，壓力為1100Pa其k值均小于壓力為1080Pa的k值，說明并非壓力越大，系統(tǒng)熱平衡常數(shù)k越大，這一現(xiàn)象可以幫助我們在觸發(fā)實驗中選擇合適的壓力觸發(fā)范圍。

在壓力觸發(fā)實驗時，觀測到明顯的“過熱”現(xiàn)象，尤其是在200Pa的情況下。隨著壓力逐步上升到240Pa，鈀絲的溫度最終上升到86℃并趨于穩(wěn)定，當壓力由240Pa陡降至0Pa時，經(jīng)過約10分鐘時間，鈀絲溫度由86℃進一步上升到92℃（最高溫度達到94℃）持續(xù)時間為100s，而不是隨著壓力的突然消失回到初始溫度。在出現(xiàn)了“過熱”現(xiàn)象之后，鈀絲溫度陡降到83℃持續(xù)了80s，再次陡降到81℃持續(xù)200s，直至實驗結(jié)束。如鈀絲溫度和壓力關系圖。在本次實驗中，值得我們考慮是的壓力陡降后為何會在10分鐘時出現(xiàn)鈀絲溫度突然上升的現(xiàn)象，我們也曾考慮過，壓力下降破壞了整個系統(tǒng)的熱傳導性，但是系統(tǒng)的熱傳導是否會延時10分鐘呢？在鈀絲溫度下降到81℃之后，溫度是否會繼續(xù)降低，直至與系統(tǒng)所在環(huán)境溫度持平？

這一滯后的“過熱”現(xiàn)象的產(chǎn)生我們可以嘗試用選擇性共振隧穿模型進行解釋。在共振隧穿過程中，波在傳播過程中需要緩慢衰減，達到多次往返反射從而積累足夠的能量，而在選擇性共振隧穿模型中，這一“孵化”時間需要約104s，反應的衰減過程也需要約104s[9]，從圖中可以看出“過熱”現(xiàn)象出現(xiàn)在觸發(fā)實驗開始后約10分鐘處出現(xiàn)鈀絲溫度突然上升的現(xiàn)象，這10分鐘就是本次實驗相對于選擇性共振隧穿模型的“孵化”時間。江興流教授提出的渦旋動力學模型中，擾場作用具有滯后性，也可以解釋這10分鐘的滯后現(xiàn)象的合理性。此外，在實驗反應室內(nèi)部配有溫度檢測裝置，所得數(shù)據(jù)可以實時上傳、存儲，可以進一步排除壓力破壞系統(tǒng)熱傳導性這一現(xiàn)象的存在，進一步證明這段滯后的時間并不是由壓力影響產(chǎn)生的，而是反應過程中的一種滯后現(xiàn)象。金屬鈀為面心立方系結(jié)構(gòu)有良好的儲氫性能，氫進入鈀的晶格間隙中可以穩(wěn)定存在，形成PdHX氫化物[10]。鈀的活化能接近氫，氫分子分解成氫原子滲透進金屬鈀中，其表面氧化物PdO易還原，不會因為氧化問題阻止氫原子滲透[11]，這也是本實驗選擇氫與鈀兩種材料以及實驗可以進行的前提。從上圖中可以發(fā)現(xiàn)，鈀絲溫度降到81℃之后到實驗結(jié)束的這段時間內(nèi)，溫度并未急速下降，在這之后，鈀絲是否會再次出現(xiàn)“過熱”現(xiàn)象？由于實驗時間需要合理控制，未繼續(xù)觀測。在之后的實驗中，是否會再次出現(xiàn)“過熱”現(xiàn)象將是一個新觀察點。“過熱”現(xiàn)象在實驗中僅出現(xiàn)一次還是如海浪般不斷“涌現(xiàn)”將是之后實驗中應當觀察和思考的方向。

3 結(jié)語

壓力為22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa的觸發(fā)實驗中，當壓力為200Pa時，實驗系統(tǒng)中觀測到明顯過熱現(xiàn)象，輸出能量為7.701×103J。輸出能量平均到每個鈀原子為6.767×10-17J（0.4KeV）。我們在實驗中觀測到了異常放熱現(xiàn)象，證明了實驗的可行性與價值。雖然有一些異常的現(xiàn)象無法解釋或觀測，但這需要我們通過對實驗方法不斷改進以及提高實驗設備的精密度、檢測設備的靈敏度，達到對微觀反應過程進行精密監(jiān)測。

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自然基金非共識項目：本項工作得到了國家自然基金委支持，受國家自然科學基金資助（編號：21703014）