一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料及制备方法技术

本发明专利技术提出一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料及制备方法，将过渡金属盐与有机相混合后加入去离子水中，同时加入粘接剂助剂，形成网状结构凝胶材料，将该凝胶材料作为基底，在氮气保护下将高温镁蒸汽均匀喷在基底上，喷涂完成后经过后续加工获得片材状镁基合金储氢片。本发明专利技术制备的镁基合金储氢片具有镁‑过渡金属‑镁的复合层状结构，通过过渡金属与镁金属的协同作用，在合金层间形成金属氢化活性位点，有效提高镁金属的吸氢和放氢能力，克服了传统镁基储氢材料吸放氢能力较差的缺陷。本发明专利技术制备的镁基合金储氢片吸放氢条件温和，材料稳定性好，制备工艺简单，适宜于在燃料电池汽车中作为氢源使用。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料及制备方法
本专利技术涉及储氢材料领域，特别是涉及一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料及制备方法。
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。金属储氢材料由于其优异的吸附、脱附氢气性能和活化能低的优点，成为目前固态储氢的重点研究方向。但其氢含量较低（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。镁基合金属于中温型储氢合金，吸、放氢动力学性能差，反应温度通常需要在300℃以上，限制了其在燃料电池和小型器件上的应用，但由于其储氢量大、重量轻、资源丰富、价格便宜，被认为是最有前途的储氢合金材料。为了提高镁基储氢合金储氢性能，中国专利技术专利申请号201710782771.4公开了一种球磨法制备的镁基储氢合金，本专利技术通过对镁基储氢合金的成分调整、微波熔炼、热处理和球磨工艺，使合金的结晶结构发生变化，获得的成品具有AB2结构和A5B19结构的构成比率之和为40％以上的特性，并且采用了两次淬火和两次回火的热处理过程，获得了良好的综合性能效果。然而，制备过程处理步骤较多，过程繁琐，镁基合金结构有序化及结构比例调控较为困难。中国专利技术专利申请号201110226110.6公开了一种镁基储氢合金，由Mg、Ni和Mm三种组分组成，Ni和Mm先熔炼制备预合金，然后在加热温度为镁熔点以上将制备的预合金碎化之后再与Mg进行感应熔炼，以得到镁基储氢合金的三元母合金，三元母合金凝固获得铸态镁基储氢合金、纳米晶镁基储氢合金、或非晶镁基储氢合金其中，镁元素占68～76质量%，镍元素占14～24质量%；Mm稀土元素占4～12质量%。该专利技术采用活性较强的混合稀土与镍元素进行配置，一定程度上增加了吸附活性中心，然而，熔炼合金化后其活性中心难以充分暴露，镁基储氢合金储氢性能有待进一步提升。综上所述，镁基储氢合金氢含量相对较高，但其吸放氢能力差，传统通过调节组成含量制成合金材料，对镁基合金的性能有一定的提升，但其结构通常为无序化，合金的接触点作为氢离子吸附活性中心难以充分暴露，从而影响其电化学性能。因此，通过控制镁基合金的结构有序化提高其吸放氢能力具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
针对镁基储氢合金结构通常为无序化，合金的接触点作为氢离子吸附活性中心难以充分暴露，从而影响其电化学性能的缺陷，本专利技术提出一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料及制备方法，制备的镁基合金储氢片吸放氢条件温和，材料稳定性好，制备工艺简单，适宜于在燃料电池汽车中作为氢源使用。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料，其特征在于，所述储氢材料以网状非晶相材料为基体材料，所述网状非晶材料负载有镁-过渡金属-镁金属合金颗粒，所述网状非晶材料的厚度为20-60μm，所述镁-过渡金属-镁金属合金颗粒的粒径为40-60nm，具有复合层状结构，上下镁层的厚度为5-10nm。优选的，所述过渡金属颗粒为镍、铁、钒、锆、铜中的一种或两种以上，所述网状非晶材料中均匀分布孔径尺寸为280-800nm的孔洞，孔隙率为60-80%。优选的，一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料的制备方法，制备过程为：（1）按摩尔量比1：0.6-1.2：0.1-0.3称取有机相、过渡金属盐和粘结剂；（2）将有机相与过渡金属盐混合，然后加入适量去离子水，同时加入粘结剂，搅拌均匀，静置2-5h后，得到网状结构凝胶材料；（3）将所述网状结构凝胶材料作为基底，在惰性气体保护下将高温镁蒸汽均匀喷在基底上，保温2-3h，所述网状凝胶材料被碳化，得到网状非晶相碳材料；（4）将上述网状非晶相碳材料放入真空箱式炉中退火1-5h，然后自然冷却至室温，再经过去离子水超声清洗，烘干后得到网状非晶相碳/镁基合金复合材料；（5）将所述网状非晶相碳/镁基合金复合材料进行封装，得到片材状镁基合金储氢片。优选的，所述过渡金属盐包括镍、铁、钒、锆、铜其中一种或几种的水溶性无机盐。优选的，所述有机相为咔唑类、吖啶有机材料。优选的，所述粘接剂包括葡萄糖、核糖、甘露糖、海藻糖、菊粉、乳糖、棉子糖、木糖、环糊精中的一种或几种。优选的，步骤（2）中所述过渡金属盐的浓度控制为0.5-1.2mol/L。优选的，步骤（3）所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氙气中的一种；所述高温镁蒸汽的温度为1100℃，喷口压力为0.1-0.4MPa。优选的，所述真空退火的温度为300-500℃，退火时间为30-60min。针对镁基储氢合金吸放氢能力较差的问题，传统合金材料通过调节组成含量，对镁基合金的性能有一定的提升，但其结构通常为无序化，合金的接触点作为氢离子吸附活性中心难以充分暴露，从而影响其电化学性能。通过控制镁基合金的结构有序化，在合金层间形成金属氢化活性位点，能够有效提高镁基合金吸放氢能力。鉴于此，本专利技术提出一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料及制备方法，将过渡金属盐与有机相混合后加入去离子水中，同时加入粘接剂等助剂，形成网状结构凝胶材料，将该凝胶材料作为基底，在氮气保护下将高温镁蒸汽均匀喷在基底上，喷涂完成后经过保温、退火、洗涤、烘干及后续加工获得片材状镁基合金储氢片。本专利技术通过粘接剂将过渡金属盐吸附在粘接剂表面，与有机相结合后通过有机相原位聚合，使过渡金属颗粒均匀分布在有机相表面，形成负载过渡金属的网状凝胶材料。镁金属蒸汽在氮气保护下在凝胶材料表面骤和层间扩散、骤冷，从而在材料表面和层间形成纳米金属颗粒，镁蒸汽带来的高温通过骤冷传递至网状凝胶材料，使其碳化为非晶相，由于镁金属颗粒插层使该凝胶材料形变受到抑制，从而保持原有的层状结构被碳化，形成负载过渡金属颗粒的网状非晶相结构，镁金属颗粒均匀分布在层间。将本专利技术制备的燃料电池用有序层状镁基合金储氢材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料，其特征在于，所述储氢材料以网状非晶相材料为基体材料，所述网状非晶材料负载有镁‑过渡金属‑镁金属合金颗粒，所述网状非晶材料的厚度为20‑60μm，所述镁‑过渡金属‑镁金属合金颗粒的粒径为40‑60nm，具有复合层状结构，上下镁层的厚度为5‑10nm。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料，其特征在于，所述储氢材料以网状非晶相材料为基体材料，所述网状非晶材料负载有镁-过渡金属-镁金属合金颗粒，所述网状非晶材料的厚度为20-60μm，所述镁-过渡金属-镁金属合金颗粒的粒径为40-60nm，具有复合层状结构，上下镁层的厚度为5-10nm。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料，其特征在于，所述过渡金属颗粒为镍、铁、钒、锆、铜中的一种或两种以上，所述网状非晶材料中均匀分布孔径尺寸为280-800nm的孔洞，孔隙率为60-80%。3.如权利要求1或2所述的一种燃料电池用有序层状镁基合金储氢材料的制备方法，其特征在于，制备过程为：（1）按摩尔量比1：0.6-1.2：0.1-0.3称取有机相、过渡金属盐和粘结剂；（2）将有机相与过渡金属盐混合，然后加入适量去离子水，同时加入粘结剂，搅拌均匀，静置2-5h后，得到网状结构凝胶材料；（3）将所述网状结构凝胶材料作为基底，在惰性气体保护下将高温镁蒸汽均匀喷在基底双面上，保温2-3h，所述网状凝胶材料被碳化，得到网状非晶相碳材料；（4）将上述网状非晶相碳材料放入真空箱式炉中退火1-5h，然后自然冷却至室温，再经过去离子水超声清洗，烘干后得到镁...

【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