[发明专利]一种纳米镁基复合储氢材料及制备方法

说明书

本发明为一种纳米镁基复合储氢材料及其制备方法。材料主要成分为镁，同时包含混合稀土、羰基镍粉和石墨多种催化剂，以提升其低温吸氢性能。该材料具有纳米晶体结构，晶粒尺寸为20‑50纳米，且具有优异的低温吸氢动力学性能。制备方法中，首先采用真空感应熔炼方法将纯镁与一定量的混合稀土进行真空冶炼，制备出镁原位掺杂稀土元素的脆性镁‑稀土合金锭；然后将得到的合金与羰基镍粉、石墨粉、惰性有机助磨剂混合，通过机械球磨方法进一步制备出高容量镁基复合储氢材料。该材料制备方法克服了镁基储氢合金机械球磨过程中的粘壁现象，提高了材料回收率，且得到了低温吸氢性能优异的高容量镁基复合储氢材料。

技术领域

本发明属于储氢材料技术领域，特别涉及一种低温吸氢动力学性能优异的高容量镁基储氢材料及制备方法。

背景技术

氢能作为一种清洁高效、储量丰富、可持续的理想二次能源，被视为最具发展潜力的能源材料，得到世界范围内的广泛关注。安全高效的储氢技术是氢能利用过程中的关键环节之一。金属氢化物方法储氢具有体积密度高、可逆性好、安全性高等优点，被认为是最具希望的储氢材料。镁的可逆储氢容量高达7.6wt.％，此外镁还具有资源丰富、价格低廉、环境友好等优点，极具应用前景。尽管镁作为储氢材料满足许多实用条件，但是还不能应用于移动式储氢系统，特别是车载燃料电池供氢装置。这主要是由于纯镁储氢热力学性能差，氢化和脱氢过程需要在300℃以上的条件下进行。此外，纯镁的吸放氢反应速率极为缓慢，无法满足要求。

机械球磨是改善镁基材料储氢性能的有效方法之一，通过球磨方法得到的材料粒径明显减小，表面活性增大。球磨过程中的剪切、研磨和挤压作用使材料内部产生大量缺陷，甚至使得材料的相组成及晶体结构发生改变，从而影响材料的物理和化学性质。专利CN100358624公开了一种在氢气气氛下采用高能球磨制备镁/石墨复合储氢材料的方法，得到的镁基材料晶粒尺寸为70-100nm，虽然很大程度上改善了镁的储氢性能，但反应温度依然很高。专利CN102418018同样公开了一种镁/碳载镍储氢合金粉末制备方法，在100℃下具有较好的吸氢动力学特性。但该材料制备流程极为复杂，生产过程存在困难。

机械球磨的另一个独特优势就是几乎可以将任何状态的材料进行复合，包括物理性质差别较大的固体与固体、固体与液体以及固体与气体等材料。但是镁具有一定的塑韧性，在机械球磨过程中会粘附在磨球和罐壁上，造成材料成分不均匀。因此，改善镁基合金材料球磨过程中的粘壁现象具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对当前技术存在的不足，提供一种机械球磨结合多种催化剂协同催化的高容量镁基复合储氢材料及制备方法。该材料以镁为主要吸氢相，包含的催化剂为混合稀土、羰基镍粉和石墨，制备过程辅剂为易挥发的惰性有机溶剂。制备方法为：首先采用真空感应熔炼方法将纯镁与一定量的混合稀土进行真空冶炼，制备出镁原位掺杂稀土元素的脆性镁-稀土合金锭；然后将得到的合金与一定比例的羰基镍粉、石墨粉、惰性有机助磨剂混合，通过机械球磨方法进一步制备出复合材料；最后在真空条件下去除有机液体助磨剂，得到高容量镁基复合储氢材料。通过上述方法成功克服了机械球磨过程中的材料粘壁现象，且可得到多相协同催化的具有纳米晶体结构的镁基复合储氢材料，从而大幅改善了镁基储氢材料的吸氢动力学特性。本发明提供的复合储氢材料可在100℃下快速吸氢，达到实用化需求。

本发明技术方案如下：

一种纳米镁基复合储氢材料，该材料主要成分为镁，并由混合稀土、羰基镍粉和石墨多种材料协同催化制得，具有纳米晶体结构，晶粒尺寸为20-50纳米；且具有优异的低温吸氢动力学性能；其中，混合稀土占纯镁质量的10-15％，羰基镍粉占镁-稀土总质量的3-10％，石墨占镁-稀土总质量的3-5％。

所述镁基复合储氢材料的优异低温吸氢动力学性能具体为在100℃和3MPa氢压条件下可在30秒内吸收5-6.5wt％的氢。

所述的镁基复合储氢材料制备方法，包含以下主要步骤：