[发明专利]一种镁基三元储氢合金薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种镁基三元储氢合金薄膜及其制备方法，所述镁基三元储氢合金薄膜结构包括依次设置的镁基三元合金层、催化层和表面覆盖层。所述的镁基三元合金层的元素组成为Mgsubgt;80/subgt;Nisubgt;16/subgt;Vsubgt;4/subgt;。所述的催化层和表面覆盖层元素组成为Pd。该方法通过物理气相沉积(PVD)将Mg‑Ni合金靶和高纯度V靶材共溅射、共沉积至预处理的基底上，中间穿插高纯度Pd靶材的溅射沉积以获得Pd催化层，最后在薄膜表面再次沉积一层Pd作为表面覆盖层对薄膜进行封装。本发明制备得到的镁基三元储氢合金薄膜具有制备工艺简单、成本低、可在低温下可逆吸放氢的优点。其吸放氢可在150℃下进行，150℃下活化后可逆储氢容量可达3.8wt.％以上。相较于纯镁储氢(纯镁最低放氢温度约为400℃)，其放氢温度显著降低。

技术领域

本发明涉及固态储氢领域，具体涉及镁基三元储氢合金薄膜及其制备方法。

背景技术

氢化镁(MgH₂)因其理论储氢能力高、可逆性、价格合理、地球储量丰富且环境友好，仍然是最有前途的储氢候选者之一。然而，受其过高的热力学稳定性和极差的动力学性能等缺陷的影响，纯镁储氢应用前景面临着极大的困境。在过去的几十年里，人们采用了许多方法来改善纯镁的储氢特性，其中合金化和催化剂添加是两种常用的方法。对于催化剂的添加，大量研究表明，过渡金属(TM)及其氢化物可以通过分别为α-Mg的成核提供活性成核位点和为H原子的扩散提供快速通道来改善纯Mg的储氢性能。对于合金化，Mg₂Ni合金是典型的代表，其氢化物Mg₂NiH₄的生成焓相对于纯MgH₂显著降低至-64.5kJ/mol，这意味着相比于纯的MgH₂，Mg₂NiH₄可在更低的温度下释放氢气。而在Mg₂Ni合金的基础上，为了进一步提高其储氢特性，人们通过合金化对A侧和B侧元素的部分取代同样进行了大量研究。例如，通过分别与Ti和Cr合金化，可以降低和提高Mg₂Ni的放氢活化能和循环稳定性[Wang X.,TuJ.,Zhang X.,et al.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,12(2002)907-911.][Liang G.,Huot J.,Boily S.,et al.J.Alloys Compd.282(1999)286-290.]。

除了常用的机械合金化外，薄膜技术因其可对材料成分、界面和晶粒尺寸进行精确控制的优势，也被广泛应用于镁基储氢材料的研究。例如，Tan等人[Tan X.,Danaie M.,Kalisvaart W.P.,et al.Int.J.Hydrogen Energy 36(2011)2154-2164.]通过磁控溅射制备得到了Mg-15at.％Ni薄膜，其在200℃下可释放超过4.5wt.％的氢。此外，在Mg₈₄Ni₁₆/Pd薄膜中也发现了良好的吸氢动力学特性，其可在45s内吸氢饱和，这主要是与Mg₈₄Ni₁₆/Pd薄膜中大量存在的Mg₂Ni增加了氢扩散速率并引入了额外的界面能有关[Liu T.,Cao Y.,XinG.,et al.Dalton Trans.42(2013)13692.]。这些工作表明，薄膜技术是研究镁基合金储氢性能的有效方法。但上述的Mg2Ni合金以及Mg84Ni16/Pd薄膜仍然存在放氢起始温度过高、低温放氢容量不足且循环稳定性不佳等缺陷。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种镁基三元储氢合金薄膜，该合金薄膜具有低放氢起始温度、在低温下优异的放氢容量和良好的循环稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明的镁基三元储氢合金薄膜，其特征在于，包含依次设置的镁基三元合金层、催化层、镁基三元合金层和表面覆盖层。