一种镁基复合储氢材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镁基复合储氢材料，具有核壳结构；核为镁的超细粉体颗粒，位于镁基复合储氢材料内部；壳由过渡金属形成，位于镁基复合储氢材料外层。本发明专利技术还公开了这种镁基复合储氢材料的制备方法，包括以下步骤：将镁金属熔化并蒸发后冷却，得到镁的超细粉体；将镁的超细粉体与过渡金属阳离子发生置换反应，过渡金属包覆住镁的超细粉体颗粒，成为镁基复合储氢材料。制备镁的超细粉体的原材料为镁块，成本低廉，电弧制粉及置换镀膜工艺简单可控，同时产率较高，适合大规模工业生产；本发明专利技术提供的镁基复合储氢材料能形成良好的核壳结构，具有良好的储氢动力学性能，吸放氢平台稳定，滞后反应小，吸氢速度较快，放氢温度较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种储氢材料，尤其涉及。
技术介绍
由于能源危机及环境污染，可再生的清洁能源已成为世界各国争相研究的热点。其中，氢气因燃烧热值高、无污染、资源丰富而被认为是最具前景的新能源。但目前氢气的储运缺乏安全性和可靠性，正严重制约着氢能应用和发展。区别于传统的液态和高压气态储氢，现在人们开发了大量的固态储氢材料，因为固态材料具有高质量储氢密度、高安全可靠性以及低成本特性。但是大部分的固体储氢材料还是难以满足对于车载系统的储氢密度要求。近年来，镁基储氢材料受到越来越多的关注，因为它的理论储氢密度高达7.6wt%,且镁是一种资源丰富、环境友好、成本低廉的金属。但镁基储氢材料却存在着吸放氢动力学性能较差，须在400°C高温下工作等缺点，这些影响了镁基储氢材料作为车载储氢材料的应用。目前人们主要通过两种方法来改善镁基储氢材料，一种是减小镁基储氢材料的尺寸，另一种是在镁材料中引入催化剂，最终形成镁基复合储氢材料。这两种方法都是有效果的。Norberg等采用共沉淀法制备了纳米级的纯镁颗粒，得到了极速吸氢动力学材料。更多地，其他人通过机械球磨的方式，引入过渡族金属(T1、V、Mn、Fe、N1、La、Ce、Y等)或是氧化物(Sc2O3> TiO2, V2O5, Cr203、Mn203、Fe3O4, CuO, Al2O3)作为催化剂提升储氢性能。目前，通过氢等离子体直流电弧蒸发的方式，也可以掺杂一些过渡族氧化物及金属元素，性能也有不同程度的提升。然而，总体来讲，当前的储氢材料均存在着吸放氢动力学性能较差，活化及使用温度过高，产物活性高不易保存，产量较少等缺点。这些都制约着储氢材料的应用。因此，本领域的技术人员致力于开发更高容量的新型镁基储氢材料。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种添加过渡族金属的高容量镁基储氢材料及其制备方法，以期能在氢气的规模化运输和燃料电池等方面进行大规模运用。为实现上述目的，本专利技术提供了一种镁基复合储氢材料，具有核壳结构；核为镁的超细粉体颗粒，位于镁基复合储氢材料内部；壳由过渡金属形成，位于镁基复合储氢材料外层。这种复合储氢材料可用Mg-TM表示,其中TM是Transition Metals的首字母缩写。优选地，过渡金属选自钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌之中的一种。这些金属都属于3d族过渡金属。优选地，过渡金属重量占镁基复合储氢材料总重量的0.1%?20%。本专利技术还提供了一种镁基复合储氢材料的制备方法，包括以下步骤:步骤1:将镁金属熔化并蒸发后冷却，得到镁的超细粉体；步骤2:将镁的超细颗粒与过渡金属阳离子发生置换反应，过渡金属沉积在镁的超细粉体颗粒表面，制得镁基复合储氢材料。优选地，步骤I包括以下具体步骤:步骤1.1:将镁金属切割为长4cm、宽4cm、高2cm的块体，然后用这个块体为阳极，钨棒为阴极。镁金属切割成这种形状的扁块体，蒸发面较大，有利于镁的熔化和蒸发。步骤1.2:将直流电弧等离子体设备抽真空至5X10_2Pa，再充入氩气至设定压力0.7?0.8atm。因为镁蒸发形成的蒸气极易与氧气或者水蒸气反应，抽真空和充入氩气是为了防止镁的氧化。步骤1.3:直流电弧等离子体设备通冷却水，冷却水温度控制在室温，冷却水的水压为2?3MPa。冷却水吸收镁蒸气的热量，使其快速凝固并控制镁的晶体生长。2?3MPa的水压，加速冷却水的流动，使热量更快带走。步骤1.4:在直流电弧等离子体设备中起弧，起弧所用电流为120A ;块体熔化并蒸发，形成镁蒸气。可通过电流的强弱来控制镁的熔化和蒸发，此处选用120A是适应本专利技术所用实验装置的选择。步骤1.5:起弧完成，静置I小时以上，镁蒸气冷却凝固在直流电弧等离子体设备的收集室内壁，收集获得所述镁的超细粉体。静置I小时以上，使镁蒸气绝大部分都凝固成超细粉体，附着在收集室内壁。在收集的过程中应避免空气进入收集室，防止镁的超细粉体的氧化，可通过收集室的手套箱收集镁的超细粉体。步骤I也可采用其他常规制备镁的超细粉体工艺，或者购买市售的镁的超细粉体。优选地,步骤2包括以下具体步骤:步骤2.1:将过渡金属阳离子化合物溶于有机溶剂中，待其全部溶解后形成溶液，再将镁的超细粉体置于这个溶液中，镁的超细粉体与过渡金属阳离子发生置换反应，形成悬浮液。因为水极易与镁的超细粉体反应生成氢氧化镁，所以用有机溶剂代替水。有机溶剂选用正丁醇、四氢呋喃或者其他可溶解过渡金属阳离子化合物的有机物。步骤2.2:反应结束后，将悬浮液先通过离心机的离心操作，再经过抽滤操作，获得的最终产物即为镁基复合储氢材料。离心是为了除去大部分有机溶剂，使反应产物分离出来，但仍有少量的有机溶剂残留在沉淀物中，需要用抽滤操作进一步去除。优选地，步骤2.1中，为保证所述镁的超细粉体与过渡金属阳离子充分接触及反应，磁力搅拌并加热所述溶液，搅拌转速为500?1200rpm，所述溶液温度控制在50?80°C;反应时间为I?3小时。提高温度可以使置换反应加快进行，但温度太高有机溶剂会挥发，选择50?80°C是较佳的选择，通过控制反应时间来控制过渡金属在镁的超细粉体颗粒上沉积的厚度，此处选择I?3小时是通过大量实验得出的数据。优选地，步骤2.2中，为保证离心效果，离心速度设置为3200?7200rpm。优选地，步骤2.2中，离心后得到的复合粉体经真空泵抽滤，除去剩余的有机溶齐U，为保证效果，抽滤时粉体经油浴加热至200?300°C，抽滤的时间为I?3小时，得到干燥的镁基复合储氢材料。优选地，为保证粉体不被氧化，上述抽滤操作过程在除氧的手套箱中进行。本专利技术通过直流电弧等离子体设备的弧光放电产生高温将阳极金属块体材料加热蒸发，超细粉体沉积在冷却的内壁上，所述设备收集室带有手套箱，可以在设备收集室里进行原位收集，避免粉体暴露在空气中。最终内壁上的超细粉体被捕集到密封的金属盒中。本专利技术制备核壳结构镁基复合储氢材料的原理为置换反应。核结构为镁的超细粉体颗粒，将镁的超细粉体置于溶有过渡族金属阳离子的有机溶液中，阳离子与粉体颗粒表面的镁原子发生置换反应，过渡族金属在镁的超细粉体颗粒表面均匀析出，形成包覆在镁的超细粉体颗粒上的壳结构。目前已经有研究证明过渡族金属作为催化剂能提高镁基储氢材料的吸放氢性能，在镁的超细粉体颗粒表面的过渡族金属壳结构，将增加氢气与催化剂的接触面积，优化催化性能。在本专利技术的较佳实施方式中，在正丁醇介质中，镁置换氯化铁中的Fe3+离子，使铁沉积在镁的超细粉体颗粒表面，形成Mg-Fe复合储氢材料。在本专利技术的另一较佳实施方式中，在正丁醇介质中，镁置换氯化镍中的Ni2+离子，使镍沉积在镁的超细粉体颗粒表面，形成Mg-Ni复合储氢材料。在本专利技术的又一较佳实施方式中，在四氢呋喃介质中，镁置换氯化钛中的Ti4+离子，使钛沉积在镁的超细粉体颗粒表面，形成Mg-Ti复合储氢材料。本专利技术的有益效果是:(I)与球磨法相比，电弧法制备镁的超细粉体的原材料为镁块，成本低廉，电弧制粉及置换镀膜工艺简单可控，同时产率较高，适合大规模工业生产；(2)与单纯的电弧法相比，本专利技术提供的镁基复合储氢材料能形成良好的核壳结构，具有良好的储氢动力学性能，吸放氢平台稳定，滞后反应小，吸氢速度较快，放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镁基复合储氢材料，其特征在于，具有核壳结构；所述核为镁的超细粉体颗粒，位于镁基复合储氢材料内部；所述壳由过渡金属形成，位于镁基复合储氢材料外层。

【技术特征摘要】
1.一种镁基复合储氢材料，其特征在于，具有核壳结构；所述核为镁的超细粉体颗粒，位于镁基复合储氢材料内部；所述壳由过渡金属形成，位于镁基复合储氢材料外层。2.如权利要求1所述的一种镁基复合储氢材料，其特征在于，所述过渡金属选自钪、钛、银、铬、猛、铁、钴、镍、铜、锌之中的一种。3.如权利要求1所述的一种镁基复合储氢材料，其特征在于，所述过渡金属重量占所述镁基复合储氢材料总重量的0.1%?20%。4.一种镁基复合储氢材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:将镁金属熔化并蒸发后冷却，得到镁的超细粉体； 步骤2:将所述镁的超细粉体与过渡金属阳离子发生置换反应，过渡金属沉积在所述镁的超细粉体颗粒表面，制得镁基复合储氢材料。5.如权利要求4所述的一种镁基复合储氢材料的制备方法，其特征在于，步骤I包括以下具体步骤: 步骤1.1:将所述镁金属切割成块体,所述块体长4cm、宽4cm、高2cm ;然后用所述块体为阳极，钨棒为阴极； 步骤1.2:将直流电弧等离子体设备抽真空至5X10_2Pa，再充入氩气至设定压力0.7?0.8atm ； 步骤1.3:所述直流电弧等离子体设备通冷却水，所述冷却水温度控制在室温，所述冷却水的水压为2?3MPa ； 步骤1.4:在所述直流电弧等离子体设备中起弧，起弧所用电流为120A ;所述块体熔化并蒸发，形成镁蒸气； 步骤1.5:所述起...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹建新，龙胜，曾小勤，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：