專利名稱：一種納米鎂基復(fù)合材料及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米鎂基復(fù)合材料及其制備方法和用途，尤其涉及一種具有低溫可逆吸放氫能力的納米鎂基復(fù)合材料及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
隨著煤炭、石油和天然氣等化石能源的日益枯竭以及這些化石燃料燃燒時放出二氧化碳、一氧化碳和二氧化硫等帶來的環(huán)境污染問題，引起了世界各國的高度重視，人們迫切需要研究和開發(fā)新型可持續(xù)的清潔能源。氫能由于具有清潔、來源廣泛以及比能量高等優(yōu)點而成為世界各國爭相研究的焦點。氫能的開發(fā)利用包括氫的制取、貯存和應(yīng)用，研究和開發(fā)高效、安全、經(jīng)濟的貯氫技術(shù)十分重要。
貯氫材料多種多樣，其中金屬(或合金)貯氫材料由于具有來源廣、經(jīng)濟實用、安全穩(wěn)定等優(yōu)點得到了大量的研究，主要包括AB5型稀土系合金、非AB5型稀土系合金、AB2型Laves相合金、AB/A2B型合金以及V基固溶體型合金幾類。其中，鎂基貯氫合金由于具有資源豐富、價廉、質(zhì)輕、貯氫量大等優(yōu)點備受人們的青睞，例如MgH2的貯氫量高達7.6wt.％，遠遠高于其它類別金屬(或合金)貯氫材料，然而鎂基合金具有吸放氫溫度較高以及動力學(xué)性能不夠理想的缺點，尤其是放氫性能較差，通常必須在250～300℃以上才能釋放氫，制約了該材料的應(yīng)用。已有的研究表明，通過將Mg和作為催化相的單質(zhì)或化合物在氫氣氣氛或氬氣氣氛下球磨制得一種納米鎂基復(fù)合材料(RefJean-Louis Bobet et al，International Journal of Hydrogen Energy 26(2001)493-501；Y.Q.Hu et al，Journalof Alloys and Compounds 375(2004)265-269)，該材料的吸放氫性能在一定程度上得到了改善，例如活性增加，吸放氫溫度下降，吸放氫速度變快。盡管通過堅持不懈的研究，可以將鎂基合金的吸氫溫度降至100℃左右，然而合金的吸氫動力學(xué)性能變差，而且合金仍然必須在200℃以上才能放氫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有低溫可逆吸放氫能力的納米鎂基復(fù)合材料；本發(fā)明的另一目的是提供該材料的制備方法；本發(fā)明還有一個目的是該納米鎂基復(fù)合材料在用于氫氣的儲存、運輸，以及以氫氣作為燃料的交通工具和其它需要用到氫氣的野外作業(yè)場合的用途。
本發(fā)明的技術(shù)方案為本發(fā)明提供了一種納米鎂基復(fù)合材料，其特征在于其組份及各組份所占總重量的百分比為鎂基合金為70％-99％，催化相的單質(zhì)或化合物為1％-30％；其中單質(zhì)為石墨、B、Al、S、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Pd、Pt、La、Ce中的一種；化合物選自Al2O3，TiO2，V2O5，Cr2O3，F(xiàn)e2O3，ZrO2，TiVMn，TiVCr，TiCrMo中的一種；鎂基合金為采用氫化燃燒合成工藝合成的鎂基合金。
優(yōu)選其組份及各組份所占總重量的百分比為鎂基合金為80％-97％，催化相的單質(zhì)或化合物為3％-20％。
優(yōu)選鎂基合金為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4和/或Mg和Ni的混合物；或者為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiHx、Mg2NiH4任意一種或幾種和Mg任意比的混合物；或者為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4任意一種或幾種和Ni任意比的混合物。更優(yōu)選鎂基合金為Mg2NiH4，或者是Mg2NiH4和Ni的混合物。
優(yōu)選單質(zhì)為石墨或Co，化合物為TiVMn。
本發(fā)明提供了一種上述的復(fù)合材料的制備方法，其步驟包括A.將鎂粉和鎳粉以摩爾配比為1∶1-20∶1混合均勻，采用氫化燃燒合成的工藝制備得到相應(yīng)的粉末狀的鎂基合金；B.將步驟A中占總重量的百分比為70％-99％鎂基合金粉末與占總重量的百分比為1％-30％催化相的單質(zhì)或化合物混合；C.通過強力機械球磨上述混合物，得納米鎂基復(fù)合材料。以上原料市場上都有售。
優(yōu)選其組份及各組份所占總重量的百分比為鎂基合金為80％-97％，催化相的單質(zhì)或化合物為3％-20％。
優(yōu)選鎂基合金為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4和/或Mg和Ni的混合物；或者為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4任意一種或幾種和Mg任意比的混合物；或者為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4任意一種或幾種和Ni任意比的混合物。更優(yōu)選鎂基合金為Mg2NiH4，或者是Mg2NiH4和Ni的混合物。
優(yōu)選單質(zhì)為石墨或Co，化合物為TiVMn。
其中優(yōu)選步驟A中鎂粉和鎳粉的摩爾配比為1.5∶1-10∶1；優(yōu)選步驟A中采用了氫化燃燒合成的工藝參數(shù)為合成時將混勻后的鎂粉和鎳粉置于壓力0.1-2MPa的氫氣氣氛反應(yīng)器中，合成溫度300-600℃，合成時間1-10小時。
優(yōu)選步驟C中使用行星式高能球磨機對混合物進行強力機械球磨，混合物處于氬氣或氫氣氣氛保護下，球磨時間1-100小時，球料比10-50∶1。
本發(fā)明還提供了上述納米鎂基復(fù)合材料，在以氫氣作為燃料的交通工具和其它需要用到氫氣的儲存、運輸，以及野外作業(yè)場合的用途。
有益效果1.采用氫化燃燒合成工藝合成出的鎂基合金具有很高的反應(yīng)活性，它是Mg，Ni，Mg2Ni，MgH2，Mg2NiH0.3，Mg2NiH4中的一種或兩種或兩種以上的成份的混合物。將上述反應(yīng)產(chǎn)物與作為催化相的單質(zhì)或化合物混合，在氬氣或氫氣氣氛保護下通過強力機械球磨即可制備得到所需的納米鎂基復(fù)合材料，制備工藝簡單，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
2.所制備得到的納米鎂基復(fù)合材料，具有很高的反應(yīng)活性和優(yōu)異的低溫吸放氫能力，材料無需活化，在室溫下20秒鐘內(nèi)的首次吸氫量即可達到3.0wt.％，并且在150℃時即可脫氫。
3.所制備的納米鎂基復(fù)合材料可以用于氫氣的儲存、運輸，以及以氫氣作為燃料的交通工具和其它需要用到氫氣的野外作業(yè)場合。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作詳細說明。
實施例1稱取摩爾配比為1∶1的8.0g鎂鎳金屬粉末，混合均勻后置于一高壓反應(yīng)器中，反應(yīng)器抽真空，并充入氬氣1-2次進行清洗，再抽真空，最后充入1.6MPa純度為99.995％的氫氣，1小時內(nèi)加熱樣品至450℃，保溫5小時后自然冷卻至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物為高活性Mg2NiH4粉末和鎳粉的混合物。稱取1.94g氫化燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)物及0.06g Co粉，混合均勻后于0.1MPa高純氬氣氣氛保護下進行強力機械球磨，球磨時間80小時，球料比40∶1。制備得到的鎂基納米復(fù)合材料無需活化，在室溫下20秒鐘內(nèi)的首次吸氫量即達到1.9wt.％，并且在150℃時即可脫氫。
實施例2稱取摩爾配比為2∶1的8.0g鎂鎳金屬粉末，混合均勻后置于一高壓反應(yīng)器中，反應(yīng)器抽真空，并充入氬氣1-2次進行清洗，再抽真空，最后充入1.6MPa純度為99.995％的氫氣，1小時內(nèi)加熱樣品至500℃，保溫2小時后自然冷卻至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物為高活性Mg2NiH4粉末。稱取1.6g氫化燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)物及0.4g TiVMn粉末，混合均勻后于0.1MPa高純氬氣氣氛保護下進行強力機械球磨，球磨時間20小時，球料比20∶1。制備得到的鎂基納米復(fù)合材料無需活化，在室溫下20秒鐘內(nèi)的首次吸氫量即達到2.5wt.％，并且在150℃時即可脫氫。
實施例3稱取摩爾配比為2∶1的8.0g鎂鎳金屬粉末，混合均勻后置于一高壓反應(yīng)器中，反應(yīng)器抽真空，并充入氬氣1-2次進行清洗，再抽真空，最后充入1.8MPa純度為99.995％的氫氣，1小時內(nèi)加熱樣品至550℃，然后立即自然冷卻至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物為高活性Mg2NiH4粉末。稱取1.9g氫化燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)物Mg2NiH4及0.1g石墨粉，混合均勻后于0.1MPa高純氬氣氣氛保護下進行強力機械球磨，球磨時間30小時，球料比30∶1。制備得到的鎂基納米復(fù)合材料無需活化，在室溫下20秒鐘內(nèi)的首次吸氫量即達到3.0wt.％，并且在150℃時即可脫氫。
實施例4稱取摩爾配比為10∶1的8.0g鎂鎳金屬粉末，混合均勻后置于一高壓反應(yīng)器中，反應(yīng)器抽真空，并充入氬氣1-2次進行清洗，再抽真空，最后充入1.8MPa純度為99.995％的氫氣，1小時內(nèi)加熱樣品至550℃，然后立即自然冷卻至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物為Mg，MgH2，Mg2NiH0.3和Mg2NiH4粉末的混合物。稱取1.4g氫化燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)物及0.6g石墨粉，混合均勻后于0.1MPa高純氬氣氣氛保護下進行強力機械球磨，球磨時間30小時，球料比30∶1。制備得到的鎂基納米復(fù)合材料無需活化，在室溫下20秒鐘內(nèi)的首次吸氫量即達到2.8wt.％，并且在150℃時即可脫氫。
實施例5稱取摩爾配比為20∶1的8.0g鎂鎳金屬粉末，混合均勻后置于一高壓反應(yīng)器中，反應(yīng)器抽真空，并充入氬氣1-2次進行清洗，再抽真空，最后充入1.8MPa純度為99.995％的氫氣，1小時內(nèi)加熱樣品至600℃，然后立即自然冷卻至室溫，反應(yīng)產(chǎn)物為Mg，MgH2，Mg2NiH0.3和Mg2NiH4粉末的混合物。稱取1.4g氫化燃燒合成反應(yīng)產(chǎn)物及0.6g TiCrMo粉，混合均勻后于0.4MPa高純氫氣氣氛保護下進行強力機械球磨，球磨時間40小時，球料比30∶1。制備得到的鎂基納米復(fù)合材料無需活化，在室溫下20秒鐘內(nèi)的首次吸氫量即達到2.9wt.％，并且在150℃時即可脫氫。
權(quán)利要求
1.一種納米鎂基復(fù)合材料，其特征在于其組份及各組份所占總重量的百分比為鎂基合金為70％-99％，催化相的單質(zhì)或化合物為1％-30％；其中單質(zhì)為石墨、B、Al、S、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Pd、Pt、La、Ce中的一種；化合物為Al2O3，TiO2，V2O5，Cr2O3，F(xiàn)e2O3，ZrO2，TiVMn，TiVCr，TiCrMo中的一種；鎂基合金為采用氫化燃燒合成工藝合成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于其組份及各組份所占總重量的百分比為鎂基合金為80％-97％，催化相的單質(zhì)或化合物為3％-20％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于鎂基合金為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4和/或Mg和Ni的混合物；或者為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4任意一種或幾種和Mg任意比的混合物；或者為Mg2Ni、MgH2、Mg2NiH0.3、Mg2NiH4任意一種或幾種和Ni任意比的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其特征在于鎂基合金為Mg2NiH4，或者是Mg2NiH4和Ni的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于單質(zhì)為石墨或Co，化合物為TiVMn。
6.一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料的制備方法，其步驟包括A.將鎂粉和鎳粉以摩爾配比為1∶1-20∶1混合均勻，采用氫化燃燒合成的工藝制備得到相應(yīng)的粉末狀的鎂基合金；B.將步驟A中占總重量的百分比為70％-99％鎂基合金粉末與占總重量的百分比為1％-30％催化相的單質(zhì)或化合物混合；C.通過強力機械球磨上述混合物，得納米鎂基復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的所述方法，其特征在于步驟A中鎂粉和鎳粉的摩爾配比為1.5∶1-10∶1。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的所述方法，其特征在于步驟A中采用了氫化燃燒合成的工藝參數(shù)為合成時將混勻后的鎂粉和鎳粉置于壓力0.1-2MPa的氫氣氣氛反應(yīng)器中，合成溫度300-600℃，合成時間1-10小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于步驟C中使用行星式高能球磨機對混合物進行強力機械球磨，混合物處于氬氣或氫氣氣氛保護下，球磨時間1-100小時，球料比10-50∶1。
10.一種如權(quán)利要求1所述的納米鎂基復(fù)合材料，在以氫氣作為燃料的交通工具和其它需要用到氫氣的儲存、運輸，以及野外作業(yè)場合的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米鎂基復(fù)合材料及其制備方法和用途，尤其涉及一種具有低溫可逆吸放氫能力的納米鎂基復(fù)合材料及其制備方法和用途。其制備方法為首先將鎂粉和鎳粉混合均勻，采用氫化燃燒合成的工藝制備得到具有很高活性的反應(yīng)產(chǎn)物；然后將此反應(yīng)產(chǎn)物與作為催化相的單質(zhì)或化合物混合，通過強力機械球磨獲得納米復(fù)合材料。該納米鎂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸放氫性能，在室溫條件下，材料無需活化，在第一次循環(huán)10秒鐘內(nèi)的吸氫量就達到了3.0wt.％，并且材料在150℃時即可脫氫。這種復(fù)合材料可以用于氫氣的儲存、運輸，以及以氫氣作為燃料的交通工具和其它需要用到氫氣的野外作業(yè)場合。
文檔編號C22C1/04GK1752252SQ20051009502
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者李李泉, 朱云峰, 劉小峰 申請人:南京工業(yè)大學(xué)