催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料及其制备方法，镁基纳米复合储氢材料，为含有弥散分布形式的REHx颗粒的Mg‑Ni‑RE合金，其成分按原子数百分比为75~88%Mg、4~14%Ni和5~15%RE(RE=Y,Gd,Er)。该合金粉末制备以Mg、Ni、RE为原料，首先熔炼成合金块，再将其研磨至粒径小于50目粉末；接着将合金粉末置于250~350℃及2~3MPa氢压下保温2~3小时，后保持温度抽真空1~2小时，即得到含弥散分布REHx颗粒的镁基纳米复合储氢材料。本发明专利技术制备的储氢材料300℃下最大吸氢量达3.3~5.8 wt.%，循环寿命达620次，具有产业化前景和应用价值。

Mg based nanocomposite hydrogen storage material with catalytic dispersion distribution and preparation method thereof

The invention discloses a catalytic magnesium based nano composite hydrogen storage material and preparation method of distribution of phase dispersion of magnesium based nano composite materials for hydrogen storage, Mg Ni RE alloy containing REHx particles dispersed in the form, and its components according to atomic number as a percentage of 75~88%Mg, 4~14%Ni and 5~15% (RE RE=Y, Gd Er). The alloy powder was prepared by Mg, Ni and RE as raw materials, first remelted alloy block, and then ground to a particle size less than 50 mesh powder; then the alloy powder in 250~350 C and 2~3MPa hydrogen pressure heat 2~3 hours after 1~2 hours to maintain the temperature of vacuum pumping, to obtain magnesium based nano composite hydrogen storage materials containing dispersed REHx particles. Hydrogen storage material of 300 C prepared by the invention of the maximum hydrogen capacity of 3.3~5.8 wt.%, the cycle life of up to 620 times, with the industrialization prospect and application value.

【技术实现步骤摘要】
催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料及其制备方法
本专利技术涉及一种储氢材料及其制备方法，特别是涉及一种镁基纳米复合储氢材料及其制备方法，应用于固态储氢

技术介绍
为应对日益严重的化石能源危机和环境污染问题，开发清洁新能源刻不容缓。由于氢具有、发热值高、燃烧性好、导热性好、用途广泛、可做储能介质及在自然界中分布广泛等优点，引起人们的极大兴趣。氢气的存储技术是激活氢产业的关键，20世纪70年代发展起来的储氢合金就是新能源领域里有重要应用价值的材料之一。镁基储氢合金具有储氢量高，最高达7.6wt.％，循环可逆性好、成本低等优点，成为潜在的理想储氢材料。然而吸放氢温度高、速率慢的缺点制约了镁基储氢合金的商业应用。研究者们通过大量研究发现，采用合金化、纳米限阈、添加催化剂、调控微观组织结构的方法可显著提高镁基储氢合金的动力学性能。例如：向MgH2中添加NbHx催化剂，并进行球磨处理，可实现在100℃下吸收4.0wt.％氢气；对添加了TiH2的Mg施以超高能、超高压球磨处理，可实现在室温下1小时内吸收2.5wt.％氢气；通过将MgH2纳米颗粒沉积于碳气凝胶上，实现放氢温度较块体MgH2下降140度。然而高能球磨、化学沉积等方法工序复杂、工艺稳定性较差，不适合大规模工业生产。此外，采用高能球磨法制备出的镁基纳米复合储氢材料吸放氢循环寿命较短，如上述Mg+TiH2纳米复合储氢材料在经过20次循环吸放氢后，储氢量下降了近20％。另一方面，Mg-Ni-RE体系中存在富镁长程堆垛有序结构(LPSO)物相，其中常见类型有14H、18R和10H。LPSO结构物相中存在大量弥散分布且呈周期性排列的Ni6RE9原子团簇，而Ni、稀土氢化物REHx常作为催化剂加入到镁基储氢材料中以改善吸放氢动力学性能。但现有的储氢材料普遍存在吸放氢温度过高和吸放氢速度慢的缺点，且制备镁基纳米复合储氢材料方法工序复杂，成本高，材料循环寿命短，影响了储氢材料的实用化进程，限制了对氢能源的广泛利用。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料及其制备方法，采用氢诱导分解Mg-Ni-RE(RE＝Y,Gd,Er)体系中长程堆垛有序结构相，来制备镁基纳米复合储氢材料。本专利技术方法制得镁基纳米复合储氢材料具有高储氢容量、高吸放氢速率、长循环寿命和循环稳定性好。本专利技术方法操作简单易行，制备成本低，能够显著改善储氢材料吸放氢性能，有效促进镁基纳米复合储氢材料的实用化进程。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，为含有弥散分布形式的REHx颗粒的Mg-Ni-RE合金材料，其Mg-Ni-RE合金基体材料的成分按原子数百分比为75～88％的Mg、4～14％的Ni和5～15％的RE，其中RE为Y、Gd和Er中的任意一种稀土金属元素或者任意几种混合的稀土金属元素。作为本专利技术优选的技术方案，镁基纳米复合储氢材料为粉体粒度不大于50目的Mg-Ni-RE合金粉末，并且在Mg-Ni-RE合金粉末颗粒内部或表面还含有弥散分布形式的REHx颗粒，且REHx颗粒的尺寸不小于50nm。作为本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金基体材料中含有长程堆垛有序结构LPSO物相中的任意一种LPSO物相或者任意几种混合的LPSO物相，长程堆垛有序结构LPSO物相的总相分数大于Mg-Ni-RE合金基体材料总重量的50wt.％。作为本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金基体材料中除了长程堆垛有序结构LPSO物相外，还含有Mg相、Mg2Ni相、Mg2RE相、MgNi2RE2相和MgNi4RE相中的任意一种物相或者任意几种混合物相。作为本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金基体材料的长程堆垛有序结构LPSO物相主要包括14H型、18R型和10H型。作为一种本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金基体材料为Mg-Ni-Y合金，含14H型、18R型或10H型LPSO物相，且LPSO物相的总相分数不低于Mg-Ni-Y合金基体材料总重量的60wt.％；作为另一种本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金基体材料为Mg-Ni-Gd合金，含14H型、18R型或10H型LPSO物相，且LPSO物相的总相分数不低于Mg-Ni-Gd合金基体材料总重量的50wt.％；作为还有一种本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金基体材料为Mg-Ni-Er合金，含14H型、18R型或10H型LPSO物相，且LPSO物相的总相分数不低于Mg-Ni-Er合金基体材料总重量的50wt.％。作为一种本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Y合金材料，其中YH2颗粒尺寸小于50nm，并弥散分布于镁颗粒内部及表面，形成催化相弥散分布的Mg-Ni-Y合金材料；作为另一种本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Gd合金材料，其中GdH2颗粒尺寸不大于50nm，并弥散分布于镁颗粒内部及表面，形成催化相弥散分布的Mg-Ni-Gd合金材料；作为还有一种本专利技术优选的技术方案，Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Er合金，其中GdH2颗粒尺寸不大于50nm，并弥散分布于镁颗粒内部及表面，形成催化相弥散分布的Mg-Ni-Gd合金材料。一种本专利技术催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料的制备方法，包括如下步骤：a.Mg-Ni-RE合金基体熔炼工艺过程：按照目标制备的催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料的Mg-Ni-RE合金基体材料的成分元素化学比计算成分配比，称取Mg块、Ni块和RE块；采用感应熔炼炉，首先熔炼Ni-RE二元合金，再按配比逐步加入Mg块，至目标制备的Mg-Ni-RE合金基体材料质量，然后补加Mg的烧损量为5～10wt.％；在整个熔炼过程中采用高纯氩气保护；控制Mg-Ni-RE合金重熔次数为3～5次，以保证合金成分均匀，得到Mg-Ni-RE合金基体材料铸锭；b.机械研磨粉碎过程：将经过所述步骤a得到的Mg-Ni-RE合金基体材料的表面除去氧化皮后，采用研磨方法，将Mg-Ni-RE合金基体材料研磨成合金粉末，过50目筛，得到Mg-Ni-RE合金基体材料粉体；c.氢诱导分解工艺过程：将在所述步骤b中所得Mg-Ni-RE合金基体材料粉体装入密闭反应器，进行洗气操作后，向密闭反应器通入氢气，直至密闭反应器中的氢气压力为2～3MPa，让Mg-Ni-RE合金基体材料粉体在氢气氛围下在250～350℃下保温2～3小时，然后再保持温度并抽真空1～2小时；d.反复进行所述步骤c的工艺过程至少1次，得到含弥散分布REHx颗粒的Mg-Ni-RE合金粉末，即得到目标镁基纳米复合储氢材料。优选反复进行所述步骤c的工艺过程2～3次，得到含弥散分布REHx颗粒的Mg-Ni-RE合金粉末。作为一种本专利技术优选的技术方案，目标制备的Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Y合金材料，其中YH2颗粒尺寸不大于50nm，并弥散分布于镁颗粒内部及表面，形成催化相弥散分布的Mg-Ni-Y合金材料；作为另一种本专利技术优选的技术方案，目标制备的Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Gd合金材料，其中GdH2颗粒尺寸不大于5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：为含有弥散分布形式的REHx颗粒的Mg‑Ni‑RE合金材料，其Mg‑Ni‑RE合金基体材料的成分按原子数百分比为75～88％的Mg、4～14％的Ni和5～15％的RE，其中RE为Y、Gd和Er中的任意一种稀土金属元素或者任意几种混合的稀土金属元素。

【技术特征摘要】
1.一种催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：为含有弥散分布形式的REHx颗粒的Mg-Ni-RE合金材料，其Mg-Ni-RE合金基体材料的成分按原子数百分比为75～88％的Mg、4～14％的Ni和5～15％的RE，其中RE为Y、Gd和Er中的任意一种稀土金属元素或者任意几种混合的稀土金属元素。2.根据权利要求1所述催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：为粉体粒度不大于50目的Mg-Ni-RE合金粉末，并且在Mg-Ni-RE合金材料粉末颗粒内部和表面还含有弥散分布形式的REHx颗粒，且REHx颗粒的尺寸不小于50nm。3.根据权利要求1所述催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：Mg-Ni-RE合金基体材料中含有长程堆垛有序结构LPSO物相中的任意一种LPSO物相或者任意几种混合的LPSO物相，长程堆垛有序结构LPSO物相的总相分数大于Mg-Ni-RE合金基体材料总重量的50wt.％。4.根据权利要求3所述催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：Mg-Ni-RE合金基体材料中除了长程堆垛有序结构LPSO物相外，还含有Mg相、Mg2Ni相、Mg2RE相、MgNi2RE2相和MgNi4RE相中的任意一种物相或者任意几种混合物相。5.根据权利要求3所述催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：Mg-Ni-RE合金基体材料的长程堆垛有序结构LPSO物相主要包括14H型、18R型和10H型。6.根据权利要求3所述催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：Mg-Ni-RE合金基体材料为Mg-Ni-Y合金，含14H、18R型或10H型LPSO物相，且LPSO物相的总相分数不低于Mg-Ni-Y合金基体材料总重量的60wt.％；或者Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Gd合金，含14H、18R型或10H型LPSO物相，且LPSO物相的总相分数不低于Mg-Ni-Gd合金基体材料总重量的50wt.％；或者Mg-Ni-RE合金基体材料为Mg-Ni-Er合金，含14H、18R型或10H型LPSO物相，且LPSO物相的总相分数不低于Mg-Ni-Er合金基体材料总重量的50wt.％。7.根据权利要求6所述催化相弥散分布的镁基纳米复合储氢材料，其特征在于：Mg-Ni-RE合金材料为Mg-Ni-Y合金材料，其中YH2颗粒尺寸不大于50nm，并弥散分布于镁颗粒内部及表面，形成催化相弥散分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：李谦，黎阳，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31