一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料及制备方法技术

本发明专利技术提出一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料及制备方法，通过在硅片表面沉积海绵状碳纳米管膜，吸附金属溶液后，金属溶液通过表面张力在海绵孔道内和碳纳米管壁内形成液膜，通过碱性气体吹燥形成金属氢氧化物共沉淀附着在碳纳米管上，最后通过氢气还原形成合金。所述金属元素包括La、Ni、Ti、Fe、V、Zr的两种或两种以上。本发明专利技术储氢合金填充海绵体的表面孔隙，形成类封闭型结构，储氢合金吸附氢气后，氢化合金颗粒在碳纳米管内析出氢气，氢气通过碳纳米管的限域效应储存在碳纳米管内部，从而提高材料的储氢量。本发明专利技术制备的碳基负载合金产品为薄膜状，有利于后续的储存和复合加工。

Carbon supported alloy material for storing fuel cell hydrogen energy and preparation method thereof

The invention provides a carbon-based loaded alloy material for storing hydrogen energy of fuel cells and a preparation method. After depositing spongy carbon nanotube film on the surface of silicon wafer and adsorbing metal solution, the metal solution forms a liquid film in the pore of sponge and the wall of carbon nanotube through surface tension, and forms metal hydrogen oxidation through alkaline gas drying. Coprecipitation is deposited on carbon nanotubes and finally reduced by hydrogen to form alloys. The metal elements include two or more than two kinds of La, Ni, Ti, Fe, V and Zr. The hydrogen storage alloy fills the surface pore of the sponge body and forms a closed structure. After hydrogen is absorbed by the hydrogen storage alloy, hydrogen is precipitated from the hydrogen storage alloy particles in the carbon nanotubes, and hydrogen is stored in the carbon nanotubes through the limitation effect of the carbon nanotubes, thereby improving the hydrogen storage capacity of the materials. The carbon supported alloy product prepared by the invention is thin-film, which is favorable for subsequent storage and compound processing.

【技术实现步骤摘要】
一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料及制备方法
本专利技术涉及储氢材料领域，特别是涉及一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料及制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。燃料电池主要是由阳极、电解质和阴极所组成。在阳极上的燃料（一般为氢气）被催化剂氧化，使得燃料变成一个正电荷的离子和带负輸电子。燃料电池在工作过程中只产生水和二氧化碳，尤其与内燃机汽车相比，对环境不会造任何污染。氢能是一种清洁、高效的能源,可替代污染环境且不可再生的煤、石油、天然气等化石燃料，作为洁净可再生能源有着广阔的应用前景随着氢能源的不断发展。作为氢能源发展的技术难点之一，氢气的储存也越来越受到人们的重视。燃料电池目前主要的技术难点之一是高性能低成本的储氢材料的制备技术。按氢的储存方法可以分为气体氢储存技术、液态氢储存技术和固体氢储存技术。气体氢储存技术的主要问题在于高压储氢罐成本较高而且技术不成熟，液态氢储存技术对于材料的要求同样非常严格。固体氢储存技术储氢能量密度高且安全性好，通过物理吸附将氢气储存于固态材料中，对于材料和设备的要求较低，是目前商业化最有可能实现的方式。储氢合金在一定温度和氢气压力下储氢合金能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物，其储氢量大、无污染、安全可靠，并且制备技术和工艺相对成熟，是目前应用最为广泛的储氢材料。合金储氢机理在于氢分子首先吸附在金属表面，再解离成氢原子，然后再进入到金属的晶格中形成氢化物。但合金储氢由于氢含量较低（普遍低于2%wt），同时稀土金属和过渡金属价格相对较高，限制了其在商业化中的应用。中国专利技术专利申请号95100253.8公开了一种新型镁基储氢合金材料及该合金的制造方法，由Mg2-x-yNil-z-uAxByCzDu组成。其中A可以是Al或Ca，Be，B可以是Zn或Sn，C可以是Cr或Co，Mn，D可以是Mo或W，Ti，在常温常压下具有充放氢的能力，用它制成的电极组装成碱蓄电池，有较高的重量比能量，可用于大型用电设备，电动车辆。中国专利技术专利申请号200810116233.2公开了一种高容量长寿命稀土镁基储氢合金，它以下列通式表示：LaxMgyR1-x-y(NizAlmConM1-z-m-n)w是Ce、Pr、Nd、Y、Ca、Ti、Zr元素中的至少1种，M是Mn、Cu、Fe、Si、Sn元素中的至少1种；储氢合金为多相结构，至少同时含有Ce2Ni7型或Gd2Co7型中的一种和Pr5Co19型或Ce5Co19型中的一种晶体结构。由于上述组成和多相结构可使合金同时具有高容量和长寿命，合金组成中同时具有高La低Mg低Co含量，可以降低成本。中国专利技术专利申请号201210260102.8公开了一种无钴无镨钕的低成本AB5型储氢合金，其成分组成的化学式表示为：Mm1-xLaxNiaMnbAlc，其中，Mm为稀土或混合稀土金属，含有La、Ce、Y、Sm、Gd中的一种或一种以上，该储氢合金具有成本极低、PCT平台压合理、放电容量适中、大电流放电能力极强、低自放电性能好的特点。上述通过调控合金材料的含量和成分等传统的改性方式来控制吸氢量和材料成本，然而但难以解决合金材料储氢含量偏低的问题。因此，针对合金材料的改性从而提高其储氢含量具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
针对现有通过调控合金材料的含量和成分等传统的改性方式来控制吸氢量和材料成本，难以解决合金材料储氢含量偏低的的缺陷，本专利技术提出一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料及制备方法，制备的碳基负载合金具有非常高的储氢量，产品为薄膜状，有利于后续的储存和复合加工。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料，所述储氢材料以海绵状碳纳米管膜为骨架，所述海绵状碳纳米管间孔道和碳纳米管内负载储氢合金金属纳米颗粒，形成三维催化剂网络，其中所述海绵状碳纳米管膜的孔隙率为60-80%，所述储氢合金金属的负载量为10-25wt%。其由将多孔海绵状碳纳米管膜于含有金属离子的溶液B的吸附量控制。优选的，所述碳纳米管的管径为5-20nm，长度为5-20μm；所述储氢合金金属纳米颗粒为LaNi5，TiFe，ZrV2，V3TiNi0.56的一种或几种，其粒径为2-100nm。优选的，制备过程主要包括配料、沉积、浸润、复分解、还原五步：（1）先使用氢氟酸溶液清洗单晶硅片1-2分钟，除去表面氧化层，在通风环境中，将二茂铁加入二氯苯混合，搅拌均匀，静置1-3小时，配置为溶液A，将金属离子盐溶于适量去离子水中，其中金属离子盐的质量浓度为1-5%，形成金属离子溶液B；（2）利用氢气/氩气和甲烷的混合气体将溶液A载入反应腔体中，在单晶硅片上进行化学气相沉积，沉积温度为880-950℃，沉积4-6h后降温，将硅片取出通过氢氟酸剥离硅基底，获得多孔海绵状碳纳米管膜；（3）将多孔海绵状碳纳米管膜浸润于含有金属离子的溶液B中，静置2-5小时，待所述多孔海绵状碳纳米管膜表面形成液膜，到前驱体膜；（4）将所述前驱体膜捞出，置于碱性气源中，加热干燥处理，反应后金属氢氧化物，共沉淀附着在碳纳米管上，得到金属氢氧化物/碳纳米管复合材料；（5）将上述金属氢氧化物/碳纳米管复合材料置于氢气环境中热处理，获得碳基负载合金的储氢材料。优选的，所述氢氟酸的质量浓度为1-5%。优选的，所述二茂铁和二氯苯的质量比例为1-4:10。优选的，所述金属离子盐为La、Ni、Ti、Fe、V、Zr中的两种或两种以上的硝酸盐或盐酸盐。优选的，步骤（2）中所述气源体积比例为H2+Ar：CH4=80-120:1，所述氢气/氩气的体积比例为0.1-1:10。优选的，步骤（3）中，在静置吸附过程前，进行除气超声处理20-40分钟，除去碳纳米管中的吸附气体。优选的，步骤（4）所述碱性气源为氨气，所述加热温度为200℃，干燥时间为30-90分钟。储氢合金在一定温度和氢气压力下储氢合金能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物，目前应用最为广泛。然而合金储氢由于氢含量较低（普遍低于2%wt），同时稀土金属和过渡金属价格相对较高，通过调控合金材料的含量和成分等传统的改性方式来控制吸氢量和材料成本，然而但难以解决合金材料储氢含量偏低的问题，限制了其在商业化中的应用。鉴于此，本专利技术提出一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料及制备方法，将二茂铁加入二氯苯配置为溶液，使用氢气/氩气和甲烷的混合物将溶液载入反应腔体在单晶硅片上进行化学气相沉积后降温，将硅片取出通过氢氟酸剥离硅基底，获得多孔海绵状碳纳米管膜，将膜材浸润于含有金属离子的溶液中，充分吸附后使用碱性气源干燥，最后在氢气环境下热处理，获得碳基负载合金的储氢材料。本专利技术将储氢合金填充海绵体状碳纳米管膜的表面孔隙，形成类封闭型结构，储氢合金吸附氢气后，氢化合金颗粒在碳纳米管内析出氢气，氢气通过碳纳米管的限域效应储存在碳纳米管内部，从而提高材料的储氢量。此外，非晶碳的加入可以有效提高碳纳米管的韧性，使碳纳米管在填充氢气后保持结构的稳定。将本专利技术制备的储存燃料电池氢能的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料，其特征在于，所述碳基负载合金材料以海绵状碳纳米管膜为骨架，所述海绵状碳纳米管间孔道和碳纳米管内负载储氢合金金属纳米颗粒，形成三维催化剂网络，其中所述海绵状碳纳米管膜的孔隙率为60‑80%，所述储氢合金金属的负载量为10‑25wt%。

【技术特征摘要】
1.一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料，其特征在于，所述碳基负载合金材料以海绵状碳纳米管膜为骨架，所述海绵状碳纳米管间孔道和碳纳米管内负载储氢合金金属纳米颗粒，形成三维催化剂网络，其中所述海绵状碳纳米管膜的孔隙率为60-80%，所述储氢合金金属的负载量为10-25wt%。2.根据权利要求1所述的一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料，其特征在于，所述碳纳米管的管径为5-20nm，长度为5-20μm；所述储氢合金金属纳米颗粒为LaNi5，TiFe，ZrV2，V3TiNi0.56的一种或几种，其粒径为2-100nm。3.权利要求1或2所述的一种储存燃料电池氢能的碳基负载合金材料的制备方法，其特征在于，制备过程主要包括配料、沉积、浸润、复分解、还原五步：（1）先使用氢氟酸溶液清洗单晶硅片1-2分钟，除去表面氧化层，在通风环境中，将二茂铁加入二氯苯混合，搅拌均匀，静置1-3小时，配置为溶液A，将金属离子盐溶于适量去离子水中，其中金属离子盐的质量浓度为1-5%，形成金属离子溶液B；（2）利用氢气/氩气和甲烷的混合气体将溶液A载入反应腔体中，在单晶硅片上进行化学气相沉积，沉积温度为880-950℃，沉积4-6h后降温，将硅片取出通过氢氟酸剥离硅基底，获得多孔海绵状碳纳米管膜；（3）将多孔海绵状碳纳米管膜浸润于含有金属离子的溶液B中，静置2-5小时，待所述多孔海绵状碳纳米管膜表面形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51