一種鎂基儲氫復合材料及其制備方法
【專利摘要】一種鎂基儲氫復合材料，它是由Mg2Ni合金的氫化物粉末與氮化鈮粉末組成，其中Mg2Ni合金的氫化物粉末的含量占復合材料質(zhì)量百分數(shù)的70～90wt.%，氮化鈮粉末的含量占復合材料質(zhì)量百分數(shù)的10～30wt.%。該復合材料的制備方法主要是將上述兩種粉末進行球磨處理，球料比為10～20:1，球磨轉(zhuǎn)速為1000r/min，球磨時間為2～10h，然后進行熱處理，溫度為300～400℃，初始氫壓為5MPa，再步進式降壓，每降低0.05～0.1MPa后保持10min，直至降到0.001MPa。本發(fā)明制備工藝和設備簡單、能耗少、成本低，制備的儲氫復合材料具有較低的初始脫氫溫度和優(yōu)良的吸放氫速率。
【專利說明】一種鎂基儲氫復合材料及其制備方法
[0001]【技術領域】本發(fā)明屬于材料領域，特別涉及一種儲氫復合材料及其制備方法。
[0002]【背景技術】在眾多儲氫合金材料中，鎂基儲氫合金是極具實用價值的儲氫材料之一。因為金屬鎂作為一種儲氫材料具有儲氫容量高(7.6wt.%)，吸放氫平臺好，資源豐富和價格低廉等優(yōu)點。但是鎂作為儲氫材料，其吸放氫條件比較苛刻，Mg與H2的反應需在300~400°C及4~IOMPa氫氣氛下才能緩慢生成MgH2。其氫化物在0.1MPa氫氣氛下的解離溫度為287°C，而且反應速率緩慢，使其在實際應用中受到限制。為了改善鎂的儲氫性能，人們將稀土元素及過渡金屬元素與鎂分別制備成合金，其中最為典型的是Mg2Ni合金和稀土 -鎂基合金。Mg2Ni在200°C及1.4MPa氫氣氛下即能與氫發(fā)生反應，其最大吸氫量為3.6wt.%。然而其作為目前最具應用前景的儲氫材料，較差的低溫儲氫動力學性能和較高的氫化物放氫溫度依然限制其應用范圍。目前，通過改善制備方法和添加催化劑等手段是提高鎂基合金儲氫性能的研究重點。 [0003]中國200810116154.1號發(fā)明專利公開了一種鎂釩復合儲氫合金及其制造方法，其化學式為Mgx (VgMli)卜，式中V為金屬釩舊為過渡金屬元素N1、Zr、Mn、Ti的等重量混合物；R為重量百分數(shù)，5%≤R≤10% ；Mg為金屬鎂粉；X為體積百分數(shù)，75%≤X≤85%。該發(fā)明側重于改善Mg的吸氫性能，并且在300°C下能夠?qū)崿F(xiàn)可逆吸放氫，同時在室溫條件下具有優(yōu)良的吸氫性能。中國201110149026.7號發(fā)明專利公開了一種新型鎂鎳基儲氫材料及其制備方法，這種材料成分為2MgN1-xB (x=l%-15%)。將元素鎂與鎳按原子比2:1配比，再按上述質(zhì)量百分比添加不同含量的硼元素，以機械球磨方式合成儲氫合金。所述材料相與Mg2Ni相比具有較高儲氫量及較快的吸氫速率。上述專利所述及的改善Mg基合金儲氫性能的方法均在一定程度上提高了合金的吸氫性能，但是并不能明顯改善合金的放氫性能。從而大大降低了 Mg基合金的實際應用價值。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝設備簡單，能源消耗小，制備成本低，具有優(yōu)良儲氫性能的鎂基儲氫復合材料及其制備方法。本發(fā)明主要是將Mg2Ni合金的氫化物粉末與氮化鈮粉末通過球磨和熱處理，得到一種新的鎂基儲氫復合材料。
[0005]本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]本發(fā)明的鎂基儲氫復合材料是由Mg2Ni合金的氫化物粉末與氮化鈮粉末組成，其中，Mg2Ni合金的氫化物粉末的含量占復合材料質(zhì)量百分數(shù)的70~90wt.%，氮化鈮粉末的含量占復合材料質(zhì)量百分數(shù)的10~30wt.%。
[0007]上述復合材料的制備方法:
[0008](I)將Mg2Ni合金在400°C，5MPa氫壓環(huán)境下經(jīng)5h充分氫化得到Mg2Ni合金的氫化物粉末。
[0009](2)將上述步驟(1)得到的Mg2Ni合金的氫化物粉末和氮化鈮粉末在氬氣氣氛保護下裝入球磨罐中，以1000r/min轉(zhuǎn)速進行球磨處理,球料比為10~20:1，球磨過程中，每球磨20min，間歇40min，球磨2~IOh后將球磨混合好粉末在氬氣氣氛保護下裝入不銹鋼氫化反應器內(nèi)。
[0010](3)將上述不銹鋼氫化反應器放入管式加熱爐中進行熱處理，溫度為300~400°C，在熱處理過程中，首先向反應器中充入5MPa氫氣并保持I~10h，使混合粉末氫化，然后在動態(tài)真空條件下充分放氫，時間為I~10h，動態(tài)真空壓力為0.0OlMPa0該過程重復3次，使混合粉末完全活化。
[0011](4)將上述步驟(3)活化后的混合粉末在300~400°C下充入5MPa氫氣并保持I~10h，使其完全氫化。然后使反應器中氫氣壓力步進式每降低0.05~0.1MPa后保持lOmin，直至降低至0.0OlMPa,完成鎂基儲氫復合材料的制備。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0013]1、顯著降低了復合材料吸放氫過程的工作溫度并提高了材料的儲氫動力學性能。[0014]2、制備工藝和設備簡單，能源消耗少，制備成本低，易于產(chǎn)業(yè)化和推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實施例1獲得的儲氫復合材料的TPD曲線。
[0016]圖2為本發(fā)明實施例2獲得的儲氫復合材料在100°C下與鎂鎳合金的吸氫速率對比曲線。
[0017]圖3為本發(fā)明實施例3獲得的儲氫復合材料的TPD曲線。
[0018]圖4為本發(fā)明實施例4獲得的儲氫復合材料在250°C下與鎂鎳合金氫化物的放氫速率對比曲線。
【具體實施方式】
[0019]實施例1
[0020]將鑄態(tài)Mg2Ni合金在400°C，5MPa氫壓環(huán)境下經(jīng)5h充分氫化得到Mg2Ni合金的氫化物粉末。取1.8g Mg2Ni合金的氫化物粉末和0.2g氮化鈮粉末，在氬氣保護手套箱中裝入球磨罐，放入20g不銹鋼磨球，以1000r/min轉(zhuǎn)速進行球磨處理,球磨過程中，每球磨20min,間歇40min，球磨2h后將球磨混合好的粉末在氬氣氣氛保護下裝入不銹鋼氫化反應器內(nèi)，將該反應器放入管式加熱爐中進行熱處理，溫度為300°C，在熱處理過程中，首先向反應器中充入5MPa氫氣并保持lh，使混合粉末氫化，然后在動態(tài)真空條件下使混合粉末充分放氫，時間為lh，動態(tài)真空壓力為0.0OlMPa。該熱處理過程重復3次，使混合粉末完全活化。將上述活化后的粉末在300°C下充入5MPa氫氣并保持lh，使其完全氫化。然后使反應器中氫氣壓力每降低0.05MPa后保持lOmin，直至降至0.0OlMPa，完成儲氫復合材料的制備。
[0021]吸放氫性能測試:將經(jīng)上述制備方法制備得到的儲氫復合材料裝入P-C-T (壓力-組成-溫度)測試儀進行程序升溫脫附(TPD)測試，測試結果如圖1所示，該復合材料的初始脫氫溫度達到186°C，與純Mg2Ni合金氫化物的初始脫氫溫度相比降低約30°C。
[0022]實施例2
[0023]將鑄態(tài)Mg2Ni合金在400°C，5MPa氫壓環(huán)境下經(jīng)5h充分氫化得到Mg2Ni合金的氫化物粉末。取1.6g Mg2Ni合金的氫化物粉末和0.4g氮化鈮粉末，在氬氣保護手套箱中裝入球磨罐，放入30g不銹鋼磨球，以1000r/min轉(zhuǎn)速進行球磨處理,球磨過程中，每球磨20min,間歇40min，球磨5h后將球磨混合好的粉末在氬氣氣氛保護下裝入不銹鋼氫化反應器內(nèi)，將該反應器放入管式加熱爐中進行熱處理，溫度為350°C，在熱處理過程中，首先向反應器中充入5MPa氫氣并保持3h，使混合粉末氫化，然后在動態(tài)真空條件下使混合粉末充分放氫，時間為3h，動態(tài)真空壓力為0.0OlMPa。該熱處理過程重復3次，使混合粉末完全活化。將上述活化后的粉末在400°C下充入5MPa氫氣并保持3h，使其完全氫化。然后使反應器中氫氣壓力每降低0.08MPa后保持lOmin，直至降至0.0OlMPa，完成儲氫復合材料的制備。[0024]對經(jīng)上述制備方法制備得到的儲氫復合材料進行吸氫速率測試，測試結果如圖3所示，該復合材料的在100°c下的吸氫動力學性能與Mg2Ni合金相比明顯改善。
[0025]實施例3
[0026]將鑄態(tài)Mg2Ni合金在400°C，5MPa氫壓環(huán)境下經(jīng)5h充分氫化得到Mg2Ni合金的氫化物粉末。取1.4g Mg2Ni合金的氫化物粉末和0.6g氮化鈮粉末，在氬氣保護手套箱中裝入球磨罐，放入40g不銹鋼磨球，以1000r/min轉(zhuǎn)速進行球磨處理,球磨過程中，每球磨20min,間歇40min，球磨IOh后將球磨混合好的粉末在氬氣氣氛保護下裝入不銹鋼氫化反應器內(nèi)，將該反應器放入管式加熱爐中進行熱處理，溫度為400°C，在熱處理過程中，首先向反應器中充入5MPa氫氣并保持7h，使混合粉末氫化，然后在動態(tài)真空條件下使混合粉末充分放氫，時間為10h，動態(tài)真空壓力為0.0OlMPa。該熱處理過程重復3次，使混合粉末完全活化。將上述活化后的粉末在370°C下充入5MPa氫氣并保持5h,使其完全氫化。然后使反應器中氫氣壓力每降低0.1MPa后保持lOmin，直至降至0.0OlMPa，完成儲氫復合材料的制備。
[0027]吸放氫性能測試:將經(jīng)上述制備方法制備得到的儲氫復合材料裝入P-C-T (壓力-組成-溫度)測試儀進行程序升溫脫附(TPD)測試，測試結果如圖3所示，該復合材料的初始脫氫溫度達到180K。與純Mg2Ni合金氫化物的初始脫氫溫度相比降低約40°C。
[0028]實施例4
[0029]將鑄態(tài)Mg2Ni合金在400°C，5MPa氫壓環(huán)境下經(jīng)5h充分氫化得到Mg2Ni合金的氫化物粉末。取1.4g Mg2Ni合金的氫化物粉末和0.6g氮化鈮粉末，在氬氣保護手套箱中裝入球磨罐,放入36g不銹鋼磨球，以1000r/min轉(zhuǎn)速進行球磨處理,球磨過程中，每球磨20min,間歇40min，球磨7h后將球磨混合好的粉末在氬氣氣氛保護下裝入不銹鋼氫化反應器內(nèi)，將該反應器放入管式加熱爐中進行熱處理，溫度為350°C，在熱處理過程中，首先向反應器中充入5MPa氫氣并保持10h，使混合粉末氫化，然后在動態(tài)真空條件下使混合粉末充分放氫，時間為7h，動態(tài)真空壓力為0.0OlMPa0該熱處理過程重復3次，使混合粉末完全活化。將上述活化后的粉末在320°C下充入5MPa氫氣并保持10h，使其完全氫化。然后使反應器中氫氣壓力每降低0.05MPa后保持lOmin，直至降至0.0OlMPa，完成儲氫復合材料的制備。
[0030]對經(jīng)上述制備方法制備得到的儲氫復合材料進行吸氫速率測試，測試結果如圖4所示，該復合材料的在250°C下的放氫動力學性能與Mg2Ni合金氫化物相比明顯改善。
【權利要求】
1.一種鎂基儲氫復合材料，其特征在于:它是由Mg2Ni合金的氫化物粉末與氮化鈮粉末組成，其中，Mg2Ni合金的氫化物粉末的含量占復合材料質(zhì)量百分數(shù)的70~90wt.%，氮化鈮粉末的含量占復合材料質(zhì)量百分數(shù)的10~30wt.%。
2.權利要求1所述的鎂基儲氫復合材料的制備方法，其特征在于: (1)將Mg2Ni合金在400°C，5MPa氫壓環(huán)境下經(jīng)5h充分氫化得到Mg2Ni合金的氫化物粉末； (2)將上述步驟(1)得到的Mg2Ni合金的氫化物粉末和氮化鈮粉末在氬氣氣氛保護下裝入球磨罐中，以1000r/min轉(zhuǎn)速進行球磨處理,球料比為10~20:1，球磨過程中，每球磨20min,間歇40min，球磨2~IOh后將球磨混合好粉末在氬氣氣氛保護下裝入不銹鋼氫化反應器內(nèi)； (3)將上述不銹鋼氫化反應器放入管式加熱爐中進行熱處理，溫度為300~400°C，在熱處理過程中，首先向反應器中充入5MPa氫氣并保持I~10h，使混合粉末氫化，然后在動態(tài)真空條件下充分放氫，時間為I~10h，動態(tài)真空壓力為0.0OlMPa，該熱處理過程重復3次，使混合粉末完全活化； (4)將上述步驟(3)活化后的混合粉末在300~40(TC下充入5MPa氫氣并保持I~10h，使其完全氫化，然后使反應器中氫氣壓力步進式每降低0.05~0.1MPa后保持lOmin，直至降低至0.0OlMPa，完成鎂基儲氫復合材料的制備。
【文檔編號】C01B3/04GK103641066SQ201310651549
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權日:2013年12月5日
【發(fā)明者】韓樹民, 趙鑫, 張偉, 李嬡 申請人:燕山大學