一种新型室温储氢材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型室温储氢材料，表达式为Ti

A new type of room temperature hydrogen storage material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种新型室温储氢材料及其制备方法
本专利技术属于储氢领域，特别涉及一种新型室温储氢材料及其制备方法。
技术介绍
氢是未来人类社会最理想的二次能源，其燃烧性能好，发热值高，因此得到了国际社会的广泛关注。氢能的利用涉及制氢、储氢、用氢等三大技术环节，由于氢在利用时具有分散性和间歇性的特点，氢气的储存和运输是氢能利用的关键，其中储氢是瓶颈技术。储氢系统要求具有能量密度大、安全性高、充放氢速率快、成本低等特点。目前最常用的储存方法是使用高压气罐，在350至700bar压力范围内以压缩气体的形式储存氢气。但是高压气罐存储的质量储氢密度较低，同时在实际应用中(如氢能汽车)，过高的压力具有一定危险性。液体氢虽然具有更高的功率密度，但是高压和低温制备液体氢的成本很高。目前最受关注的氢存储方法是固体材料储氢，已经有大量研究证明金属氢化物、多孔碳材料及MOF类、贵金属及其复合材料等都具有较好的储氢性能。其中，绝大多数金属氢化物需要在较高的温度下进行存储和释放氢气(200-400℃)，而实际中提供高温装置会大大增加行驶成本且存在一定的安全隐患；利用物理吸附储氢的材料，可以在液氮温度下取得5wt％甚至更多的容量，但是该类材料受低温工作条件的限制；金属/金属间化合物如LaNi5、FeTi可以在常温常压条件下存储氢气，但这些材料的质量储氢密度通常低于2wt％；贵金属Pd、Pt及其复合材料有较高的储氢密度，但是贵金属价格昂贵且存在脱氢动力学较慢的问题。目前已有报导的固体储氢材料还无法满足实际应用的需求。MXene是近年来受到广泛关注的一种新型的二维层状材料，是由过渡金属组成的碳化物或氮化物，这一类材料可以主要通过氢氟酸(HF)解离层状陶瓷材料MAX相获得，具有优异的力学、电子、磁学等性能，主要应用于锂离子电池储能领域，催化领域，传感器以及电磁应用如电磁屏蔽等领域。虽然目前相关课题组运用局域密度近似泛函和分子动力学模拟的方法研究了Ti2C、Sc2C和V2C等的储氢性能，但是到目前为止，MXene储氢应用的研究仅限于理论预测，还没有实验结果报导可以成功制备出具有实际储氢性能的材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的固体室温储氢材料及其制备，采用化学刻蚀法，将MAX相Ti2AlC中层状分布的部分Al原子除去，以得到其中剩余1％～15％Al的具有大量片层空隙的二维层状MXene材料Ti2CTx。目前，已有Ti2CTx的制备主要是利用HF对块状的MAX相Ti2AlC陶瓷的刻蚀和洗涤，前体MAX中的Al原子层会在溶液中与氢氟酸反应，被酸刻蚀后的Al进入溶液，在原始的块状材料中留下一层Al原子的空隙，并通过超声等手段剥离得到片层状Ti2CTx材料，并使其有规则的层叠，使得在超级电容器电极材料的测试中表现出较高的质量比容量及循环稳定性。因此，现有技术主要是利用HF将MAX相Ti2AlC陶瓷中的Al原子全部刻蚀掉，剥离得到片层状Ti2CTx材料，来得到较优异的电化学性能。本专利技术在研究二维层状MXene材料的储氢性能的过程中，意外发现在利用HF对块状的MAX相Ti2AlC陶瓷进行刻蚀时，当Ti2AlC陶瓷中的Al原子保留1％-15％时，未完全刻蚀的Al原子会在Ti2CTx材料的层间起到桥梁的作用，可以保持Ti2CTx材料层状空隙的距离和结构的稳定，为储氢提供可能性，如图1所示。本专利技术提供了一种新型室温储氢材料，表达式为Ti2CTx，Ti2CTx为二维层状MXene材料，具有堆叠书页状的分层形貌结构并且具有体积分数60％以上的高密度层状空隙和0.68～0.9nm的可调控层间距；层间连接有大量氟官能团和含氧官能团；层间留有刻蚀后剩余的1％-15％Al原子。进一步，Ti2CTx在室温25℃，50bar的条件下首次储氢量达8.44wt％。进一步，Ti2CTx在室温25℃，50bar的条件下，循环储氢量为7.5wt％。进一步，Ti2CTx在95℃，0bar的条件下5min内脱除95％以上储存的氢气。进一步，可以通过改变外界温度25℃～95℃和压力0bar～15bar实现Ti2CTx脱氢量以及脱氢速率的可控。本专利技术还提供了一种上述新型室温储氢材料的制备方法，包括如下步骤：1)将MAX相Ti2AlC粉末过小于等于200目筛后，倒入浓度12wt％的氢氟酸中，充分搅拌时间t进行刻蚀反应，6h≤t＜12h；2)将刻蚀后所得颗粒与氢氟酸分离，并将分离所得颗粒用去离子水洗涤至中性；3)将洗涤后的颗粒置于40℃真空烘箱内烘干，得到Ti2CTx。本专利技术的有益效果：1)本专利技术整个合成过程简单，可大规模生产；2)本专利技术所使用的前驱体MAX属于钛碳化铝陶瓷，无贵金属，成本低廉；3)本专利技术制备的室温储氢材料Ti2CTx在室温25℃，50bar的条件下首次储氢量可达8.44wt％，可循环储氢量为7.5wt％。可以在95℃，0bar的条件下迅速(5min内)脱除95％以上存储的氢气，且可以通过改变外界温度(室温25～95℃)和压力(0～15bar)可以实现脱氢量以及脱氢速率的可控。附图说明图1为本专利技术的Ti2CTx的制备及储氢示意图；图2为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的SEM图(左上角图)和HADDF-STEM图；图3为示出本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx具有不同层间距的HADDF-STEM图；图4为示出本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx具有层间未完全刻蚀Al原子的HADDF-STEM图；图5为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的Al元素XPS测试结果；图6为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的Ti元素XPS测试结果；图7为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的F元素XPS测试结果；图8为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的C元素XPS测试结果；图9为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的XRD曲线及其标准PDF卡片；图10为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的氢吸附-脱附循环曲线；图11为反映本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx储氢前后层间距变化的低角度XRD曲线；图12为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx在不同压力和温度下的氢脱附曲线；图13为本专利技术实施例1刻蚀得到的Ti2CTx的氢气存储稳定性测试结果；图14为本专利技术实施例1和实施例2刻蚀得到的Ti2CTx的XRD曲线对比图；图15为本专利技术实施例1和实施例2刻蚀得到的Ti2CTx储氢测试结果对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步描述本专利技术。实施例1本专利技术的新型室温储氢材料的制备方法包括如下步骤：1)使用40wt％的浓氢氟酸配制浓度为12wt％的稀氢氟酸溶液，置于塑料烧杯中；2)将2gTi2AlC粉末过200目筛后，缓慢倒入1)中所得氢氟酸溶液中；3)不断搅拌混合溶液，防止反应放热过于剧烈，造成液体沸腾和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型室温储氢材料，表达式为Ti

【技术特征摘要】
1.一种新型室温储氢材料，表达式为Ti2CTx，其特征在于，Ti2CTx为二维层状MXene材料，具有堆叠书页状的分层形貌结构并且具有体积分数60％以上的高密度层状空隙和0.68nm～0.9nm的可调控层间距；层间连接有氟官能团和含氧官能团；层间留有刻蚀后剩余的1％-15％Al原子。


2.根据权利要求1所述的新型室温储氢材料，其特征在于，Ti2CTx在室温25℃，50bar的条件下首次储氢量达8.44wt％。


3.根据权利要求1所述的新型室温储氢材料，其特征在于，Ti2CTx在室温25℃，50bar的条件下，循环储氢量为7.5wt％。


4.根据权利要求1所述的新型室温储氢材料，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：水江澜，刘世媛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11