一种在碳源气氛下制备Mg纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术公开了一种在碳源气氛下制备Mg纳米颗粒的方法，在惰性气体和碳源气体的混合气氛下通过电弧加热Mg块使之蒸发，Mg蒸气脱离加热区域，成核并冷凝成Mg纳米颗粒，经过钝化处理得到粒径分布范围在20～50nm为纳米级Mg颗粒。该方法中碳源气体在电弧等离子体的作用下分解，生成的碳覆盖在镁颗粒表面既抑制了氧化镁的生成，又抑制了镁颗粒的团聚，同时通过调节碳源气体含量还可以控制镁纳米颗粒的形貌和结构。本发明专利技术设备简单，合成速度快，成本低，所制备的Mg纳米颗粒纯度高，用作储氢材料时吸放氢动力学性质优良。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属的制备领域和储氢
，尤其是颗粒大小小于IOOnm的Mg的制备方法及其应用。
技术介绍
能源问题、环境问题与交通问题是人类社会发展所面临的三大重要问题，也是我国建设可持续发展社会需要解决的三大难题。其中，能源问题又是最重要、最紧迫，又是最难解决的问题。传统化石燃料存在燃烧产生二氧化碳等污染问题，且储量有限。而氢能源的能量密度非常高，发热值是汽油的3倍，而且清洁无污染，是人类最理想的清洁二次能源， 很有希望在21世纪得到广泛应用。氢能源的利用涉及到制备、储存和利用三大技术，而储氢技术又是氢能大规模应用的关键，因此如何安全有效的储存氢气成为亟待解决的课题。 目前储氢材料的研究主要有金属氢化物、金属有机框架配合物(MOF)、铝氢化合物、硼氢化合物、氨基化合物以及氨硼烷等。Mg由于其储氢量大(7. 6wt% )、价格低廉、较好的循环性， 极有可能成为新一代实际应用储氢材料，满足商业车载氢能源汽车的需要。目前Mg单质作为储氢材料，离车载氢能源汽车实用化还有一定的距离。首要问题是吸放氢动力学性质很差，普通的Mg即使在67;3K，50bar的氢气中也不能很快的直接吸氢。它必须要在此条件下进行多个循环的活化后才可以在521以上缓慢的吸放氢。另外， 虽然经过多次的吸放氢活化，普通的Mg单质仍然不能吸氢完全。最近的研究(J.Am. Chem. Soc. 127,16675(2005))表明Mg的吸放氢动力学性质与其颗粒大小具有接近于反比的关系，颗粒越小，其吸放氢动力学性质越好。但是Mg颗粒活性很强，得到的纳米颗粒很容易聚集长大，并且容易水解和氧化。因此，目前颗粒大小在IOOnm以下的Mg鲜有报道，已有报道见 Chem. Mater. 19,6052 (2007)和 Chem. Mater. 20，376 (2008)，遗憾的是这些报道中制备的 Mg颗粒中含有大量的杂质，实际Mg含量不到20%，远远达不到实际应用的要求。因此，制备纯度较高以及颗粒尺度小于IOOnm的Mg颗粒具有很重要的理论和实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适于作为储氢材料以及还原剂的尺度在IOOnm以下的 Mg颗粒及其制备方法。本专利技术作为储氢材料的纳米级Mg颗粒的直径分布范围在20 50nm，多数为40nm 左右。其制备方法包括如下步骤(1)将Mg块在惰性气体与碳源气体的混合气氛中用电弧加热使其蒸发，Mg蒸气脱离加热区域，成核并冷凝成Mg纳米颗粒；( 对Mg纳米颗粒进行钝化处理。上述步骤(1)通常是将Mg的块体放在封闭的反应腔(如等离子体电弧炉的反应腔)中，抽真空后通入惰性气体和碳源气体的混合气体，一般要求气体总压力维持在低于 Ibar但大于等于0. 5bar的范围内。其中所述的惰性气体包括化学元素周期表中的所有惰性气体氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气。碳源气体的主要作用是提供碳源。所述碳源气体可以是乙炔、甲烷、乙烯等，优选为乙炔。乙炔在电弧等离子体的作用下分解，生成氢气和极细小的碳，氢气作为活性气体能加速镁颗粒的生成；碳既能提供成核位点加快Mg的成核，又能覆盖在镁颗粒表面抑制镁颗粒的团聚，同时也抑制了氧化镁的生成。所述碳源气体占整个混合气氛体系的体积百分比以大于0而小于等于50%为佳，更优选为15-30%。上述步骤(2)钝化的目的在于避免Mg粉取出后发生剧烈氧化，通常的做法是在步骤1)完成后停止加热并将反应腔体抽真空，系统冷却后以比较缓慢的速度向其中填充空气，保持数小时以上。本专利技术制备的超细Mg颗粒尺寸大小为纳米级，其尺寸分布范围在20 50nm，多数为40nm左右，因此比表面积大，缺陷多，与氢反应具有更多的反应位点。另外与氢反应时， 氢在Mg颗粒中的扩散距离大大降低，从而极大的提高了其吸放氢动力学性质。另外，碳源气体在电弧等离子体的作用下分解，生成的碳覆盖在Mg颗粒表面既抑制了氧化镁的生成， 又抑制了 Mg颗粒的团聚，通过调节碳源气体的浓度可以控制Mg的结构和形貌，从而进一步提高Mg的吸放氢动力学性质。本专利技术Mg纳米颗粒在用于储氢材料时具有十分优良的吸放氢动力学性质，极有可能成为新一代的储氢材料，因此在储氢
中具有极其重要的应用价值和广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例3制备的Mg纳米颗粒的X射线粉末衍射图。图2为本专利技术实施例3制备的Mg纳米颗粒的透射电子显微镜照片。图3是本专利技术制备的Mg纳米颗粒在521的氢气吸收曲线，其中(a)为普通Mg颗粒，(b)为Mg纳米颗粒。具体实施例方式实施例1、合成颗粒大小为40nm的Mg颗粒(1)将Mg块放于等离子体电弧加热炉中，抽真空后，通入压力为360tOrr的Ar气和IOOtorr的乙炔气，施加160A直流电弧等离子体得到Mg纳米颗粒。(2)停止加热并抽真空，系统冷却后向炉中缓慢通入空气钝化，钝化48小时后取出样品。实施例2、合成颗粒大小为40nm的Mg颗粒(1)将Mg块放于等离子体电弧加热炉中，抽真空后，通入压力为360tOrr的Ar气和60torr的乙炔气，施加200A直流电弧等离子体得到Mg纳米颗粒。(2)停止加热并抽真空，系统冷却后向炉中缓慢通入空气钝化，钝化48小时后取出样品。实施例3、合成颗粒大小为40nm的Mg颗粒(1)将Mg块放于等离子体电弧加热炉中，抽真空后，通入压力为360tOrr的Ar气和60torr的乙炔气，施加120A直流电弧等离子体得到Mg纳米颗粒。(2)停止加热并抽真空，系统冷却后向炉中缓慢通入空气钝化，钝化48小时后取出样品。图1为上述实验的产物Mg纳米颗粒的XRD(X射线粉末衍射)图，可以清晰的看到所制备的Mg纯度较高。图2为上述实验产物Mg纳米颗粒的TEM(透射电子显微镜)图，可以看到Mg纳米颗粒大小为40nm左右。实施例4、合成颗粒大小为40nm的Mg颗粒(1)将Mg块放于等离子体电弧加热炉中，抽真空后，通入压力为360tOrr的Ar气和140torr的乙炔气，施加160A直流电弧等离子体得到Mg纳米颗粒。(2)停止加热并抽真空，系统冷却后向炉中缓慢通入空气钝化，钝化48小时后取出样品。实施例5、合成颗粒大小为40nm的Mg颗粒(1)将Mg块放于等离子体电弧加热炉中，抽真空后，通入压力为360tOrr的Ar气和IOOtorr的乙烯气，施加160A直流电弧等离子体得到Mg纳米颗粒。(2)停止加热并抽真空，系统冷却后向炉中缓慢通入空气钝化，钝化48小时后取出样品。 实施例6、Mg纳米颗粒作储氢材料的吸氢性质检测(1)将所制备的Mg纳米颗粒放于体积法储氢装置中，抽真空，通入lbar H2，升温至621。然后抽真空2小时，通入IObar H2吸氢2小时，如此反复三次。(2)样品活化后下降温度至521，在起始氢压为40bar的条件下进行吸氢测试，吸氢曲线见图3。由图可见，本专利技术的超细Mg纳米颗粒30分钟内吸氢量分别为5.#t%，而普通的Mg颗粒在此温度下吸氢量只达Iwt %。由此显示出了纳米Mg结构优越的储氢性质。 另外，如果进一步球磨所制备的纳米Mg颗粒或添加催化剂，将会显示更优越的储氢性能。权利要求1.一种Mg纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤1)将Mg块在惰性气体与碳源气体的混合气氛中用电弧加热使其蒸发，Mg蒸气脱离加热区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种Ｍｇ纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：１）将Ｍｇ块在惰性气体与碳源气体的混合气氛中用电弧加热使其蒸发，Ｍｇ蒸气脱离加热区域，成核并冷凝成Ｍｇ纳米颗粒；２）对Ｍｇ纳米颗粒进行钝化处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张旋洲，杨鋆智，杨容，郑捷，田文怀，李星国，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11