一种纳米镁／石墨复合储氢材料及制备方法技术

一种纳米镁／石墨复合储氢材料，其特征在于：按质量百分比计，其成份为５～３０％的石墨及余量的镁。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种纳米镁/石墨复合储氢材料及制备方法
本专利技术涉及储氢材料，具体地说是一种纳米镁/石墨复合储氢材料及制备方法。
技术介绍
大量使用燃油汽车造成的污染及人类面临的能源危机使各国政府都出台了一系列限制汽车排放污染的法律和规定，许多汽车制造商也开始积极研制开发“零排放”的燃料电池电动车(FCEV)来取代传统的内燃机汽车。其中洁净、高效的质子膜燃料电池(PEMFC)汽车被公认为是取代传统内燃机汽车的最佳选择。世界各主要汽车公司纷纷支持对其的开发和研究，美国也将发展PEMFC汽车作为减少能源消耗和控制环境污染的战略措施。目前，欧、美、加、日等国已相继研制出PEMFC公共汽车、小汽车和小客车的样车。但PEMFC由于使用纯氢作燃料，故如何安全、方便地携带能够在温和条件下使用的高密度氢源就成为发展车用PEMFC的关键。而储氢材料具有容量高、寿命长、使用安全等特点，一直是车载氢源的主要候选材料。据有关技术组织及部门估计，对于一个标准的PEMFC汽车，行驶500公里左右需要5～6mass％的储氢量。Mg和Mg基储氢材料储氢量大(7.6mass％)，体积比密度高(134kg·m-3(H2))，而且价格低廉，有希望成为未来燃料电池用储氢材料。但是其过低的吸放氢速率和过高的工作温度(～400度)严重制约了它的实际应用开发。近年来，有人用各种手段对镁及镁合金进行改性处理以提高其动力学性能。其中在反应气氛下球磨(RBM)是促进镁及镁合金固-气反应的一种行之有效的途径。在RBM法中，可以在氢气氛下直接球磨镁及镁合金，也可以将其与添加物一起球磨。添加物分为三类，一类是作为催化剂，对氢具有催化分解的作用，如Co、Ni等；另一类是作为“氢泵”，即在室温下容易吸放氢的贮氢材料，如YNi，Ce等；还有一类是作为研磨剂，能够提高球磨效率，有效细化颗粒和晶粒，如金属氧化物Cr2O3、CeO2等。然而，目前采用晶态石墨作为添加物在氢气氛下制备镁或镁合金复合储氢材料还尚未见报道。-->专利技术技术本专利技术的目的在于提供一种纳米镁/石墨复合储氢材料及制备方法，采用本专利技术对纳米镁/石墨复合储氢材料经过短时间的球磨后，即可在保持镁的高储氢容量的同时，大大提高其动力学性能，为将来车载燃料电池的实用化提供氢源的候选材料。为了实现上述目的，本专利技术技术方案如下：纳米镁/石墨复合储氢材料：该复合储氢材料由镁和石墨组成，镁的晶粒尺寸为70nm～100nm，石墨的晶粒尺寸为7nm～16nm，石墨的含量为5～30mass％；其中所述石墨的含量以8～12％为佳。其制备采用反应球磨法，具体为：将Mg粉(纯度大于等于99.0％，粒度为100目)和石墨(纯度大于等于99.85％，粒度为450目)按5～30mass％的比例装入Spex8000振动式高能球磨机中，球料比为10～50∶1；在球磨罐经过2～4次抽真空(1Pa～10-2Pa)、充氢操作后，充入0.2MPa～3MPa高纯氢气进行球磨至石墨均匀分布在镁表面；球磨时间为15分钟～5小时，以25～35分钟为佳。在制备过程中可以通过压力变送器实时监测球磨罐内压力。本专利技术原理是：由于晶态石墨的结构能够容纳物理吸附的氢，同时石墨也是一种优良的润滑剂，在球磨过程中能够起到高效研磨作用。经扫描电镜、透射电镜观察证实，本专利技术纳米镁/石墨复合储氢材料中镁的晶粒尺寸可为70～100nm，晶粒尺寸可为7～16nm的石墨均匀分布在镁表面。本专利技术具有以下优点：1.制备工艺简单，制备时间短，在材料制备的同时进行原位活化，为发展高能量密度的车载燃料电池氢源提供了一条有效途径。2.本专利技术复合材料具有优良的储氢性能，在保持Mg的高储氢容量的同时，大大提高其动力学性能。球磨0.5小时的镁/石墨复合材料吸氢性能比相同条件下球磨15小时的纯镁还要好。附图说明图1a为石墨添加量为10mass％的复合材料的SEM形貌像；图1b为图1a中椭圆区域的石墨成分能谱分析；图1c为石墨添加量为10mass％的复合材料中石墨的TEM暗场像；图1d为石墨添加量为10mass％的复合材料中镁的TEM暗场像；图2为本专利技术实施例1中的吸氢动力学曲线；图3为本专利技术实施例2中的吸氢动力学曲线；-->图4为本专利技术实施例3中的吸氢动力学曲线；图5为本专利技术实施例4中的吸氢动力学曲线；图6为本专利技术实施例5中的吸氢动力学曲线；图7为比较例1中的吸氢动力学曲线；图8为比较例2中的活化动力学曲线。具体实施方式实施例1石墨添加量为10mass％的复合材料，球磨时间为0.5小时，球料比为30∶1；在球磨罐经过3次抽真空(1Pa)、充氢下(0.2MPa高纯氢气)进行球磨至石墨均匀分布在镁表面。所述Mg粉纯度大于等于99.0％，粒度为100目，所述石墨纯度大于等于99.85％，粒度为450目。在573K，1.2Mpa下进行吸氢测试，结果显示，在8分钟内吸氢分数达0.90以上(设吸氢分数为1时，氢的质量百分数为7.6mass％，下同)，30分钟内吸氢分数达0.999以上。本实施例SEM照片和TEM照片参见图1a、图1b、图1c、图1d，从图1b中可以看出，经球磨0.5小时后，复合材料中石墨已均匀分布在镁的表面。而从图1c和图1d中可以看出，该复合材料中镁的晶粒尺寸为100nm，石墨的平均晶粒尺寸10nm。本实施例吸放氢动力学曲线见图2。实施例2与实施例1不同之处在于：球磨时间为1小时，球料比为10∶1；在球磨罐经过2次抽真空(10-1Pa)、充3MPa高纯氢气进行球磨至石墨均匀分布在镁表面。经扫描电镜、透射电镜观察证实，镁的晶粒尺寸为100nm，石墨的平均晶粒尺寸为9nm。在573K，1.2Mpa下进行吸氢测试。结果显示，在30分钟内吸氢分数达0.81以上。吸氢动力学曲线见图3。实施例3与实施例1不同之处在于：球磨时间为5小时，球料比为40∶1；在球磨罐经过4次抽真空(10-2Pa)，充2MPa高纯氢气进行球磨至石墨均匀分布在镁表面。经扫描电镜、透射电镜观察证实，镁的平均晶粒尺寸为80nm，石墨的平均晶粒尺寸为8nm。在573K，1.2Mpa下进行吸氢测试。结果显示，在25分钟内吸氢分数达0.83以上。吸氢动力学曲线见图4。-->实施例4与实施例1不同之处在于：球磨时间为0.5小时，石墨添加量为20mass％的复合材料，球料比为50∶1；在球磨罐经过3次抽真空(1Pa)，充入1MPa高纯氢气进行球磨至石墨均匀分布在镁表面。经扫描电镜、透射电镜观察证实，镁的平均晶粒尺寸为90nm，石墨的平均晶粒尺寸为10nm。在573K，1.2Mpa下进行吸氢测试。结果显示，在8分钟内吸氢分数达0.81以上，30分钟内吸氢分数达0.95以上。吸氢动力学曲线见图5。实施例5与实施例1不同之处在于：球磨时间为0.5小时，石墨添加量为30mass％的复合材料，球料比为20∶1；在球磨罐经过3次抽真空(10-1Pa)、充入0.5MPa高纯氢气进行球磨至石墨均匀分布在镁表面。经扫描电镜、透射电镜观察证实，镁的平均晶粒尺寸为95nm，石墨的平均晶粒尺寸为10nm。在573K，1.2Mpa下进行吸氢测试。结果显示，在8分钟内吸氢分数达0.66以上，30分钟内吸氢分数达0.94以上。吸氢动力学曲线见图6。实施例6与实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米镁/石墨复合储氢材料，其特征在于：按质量百分比计，其成份为5～30％的石墨及余量的镁。2.按照权利要求1所述纳米镁/石墨复合储氢材料，其特征在于：所述石墨的含量以8～12％为佳。3.按照权利要求1所述纳米镁/石墨复合储氢材料，其特征在于：所述镁的晶粒尺寸为70nm～100nm，石墨的晶粒尺寸为7nm～16nm。4.一种新型纳米镁/石墨复合储氢材料的制备方法，采用反应球磨法，其特征在于：以石墨为催化相和润滑剂，将Mg粉和石墨按比例装入Spex8000振动式高能球磨机中，经过2～4次...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德敏，冷海燕，杨柯，吕曼祺，张海峰，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：