[發(fā)明專利]一種制備鎂納米結(jié)構(gòu)的方法

無效

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• 申請日: 2009-06-16
• 公開（公告）號: CN101574742A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發(fā)明（設計）人: 謝鐳;李瑤琦;張旋洲;李星國
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: B22F9/28
• 分類號: B22F9/28
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發(fā)明涉及金屬的制備領域和儲氫技術領域，尤其是鎂納米結(jié)構(gòu)的制備方法及其應用。

背景技術

目前由于傳統(tǒng)能源如煤炭、石油、天然氣等日益枯竭以及人類對環(huán)保問題越來越重視，開發(fā)利用新的能源已成為全球密切關注的話題。其中氫能源由于其比質(zhì)量能量含量高以及清潔無污染的特性，是最有希望在21世紀得到廣泛應用的能源之一。但氫能源的利用涉及到儲存這一關鍵步驟，因此如何安全有效的儲藏氫氣成為亟待解決的課題。目前儲氫材料的研究主要有金屬氫化物、金屬有機框架配合物(M0F)、鋁氫化合物、硼氫化合物以及氨基化合物等。鎂由于其儲氫量大和資源豐富價格便宜而極有可能成為新一代實際應用儲氫材料，滿足商業(yè)車載氫能源汽車的需要。

但是目前Mg單質(zhì)作為儲氫材料離實用化還有一定的距離。首要問題是吸放氫動力學性質(zhì)太差，普通的鎂顆粒需在400℃的條件下吸放氫活化多次后才能在250℃以上緩慢的吸放氫。另外，雖然經(jīng)過多次的吸放氫活化，普通的鎂單質(zhì)仍然不能吸氫完全。最近的研究(J.Am.Chem.Soc.127，16675(2005))表明Mg的吸放氫動力學性質(zhì)與其顆粒大小具有接近于反比的關系，顆粒越小，其吸放氫動力學性質(zhì)越好。但是Mg的活性很強，得到的納米顆粒容易發(fā)生聚合而長大，并且納米顆粒容易水解和氧化。因此，目前顆粒大小在30納米以下的Mg鮮有報道，而且，所報道的Mg納米顆粒也含有大量的雜質(zhì)，Mg的實際含量不到20％(見Chem.Mater.19，6052(2007)；Chem.Mater.20，376(2008).)。因此，制備純度較高的納米級Mg結(jié)構(gòu)具有很重要的理論和實際意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種制備納米級Mg結(jié)構(gòu)的方法，所制備的Mg結(jié)構(gòu)適于作為儲氫材料以及還原劑。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種鎂納米結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

(1)將摩爾比為1∶1～1∶6的MgO粉末和碳(C)粉充分混合均勻后制成塊體；

(2)將所制得的塊體在低于1bar但大于等于0.5bar的惰性氣氛中用電弧加熱使其蒸發(fā)，MgO首先被C還原生成Mg，然后鎂蒸氣脫離加熱區(qū)域，成核并冷凝形成Mg納米結(jié)構(gòu)；

(3)對鎂納米結(jié)構(gòu)進行鈍化處理。

上述步驟(1)通常是將微米級的MgO粉末和碳粉按一定的比例稱好后，通過機械球磨的方法混合均勻。MgO和C的摩爾比優(yōu)選在1∶1～1∶4的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為1∶3。所述碳粉包括所有不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的碳，例如石墨、金剛石、活性碳、碳納米管、富勒烯、碳纖維等都可以用于本發(fā)明。

上述步驟(2)通常是將MgO和C的塊體放在封閉的反應腔(如等離子體電弧爐的反應腔)中，抽真空后通入惰性氣體，氣壓優(yōu)選0.8～0.9bar。所述的惰性氣體包括化學元素周期表中的所有惰性氣體：氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣。為了加快鎂的蒸發(fā)速度，在起弧放電后可抽出一部分惰性氣體，再通入一定量的活性氣體如氫氣或氮氣，也可直接添加活性氣體，條件是氣體總壓力維持在低于1bar但大于等于0.5bar的范圍內(nèi)，活性氣體占整個體系的體積百分比為大于0而小于等于90％，優(yōu)選方案為活性氣體所占整個體系40-50％的體積百分比。

上述步驟(3)鈍化處理的目的在于避免鎂納米結(jié)構(gòu)取出后發(fā)生劇烈氧化，通常的做法是將反應腔抽真空后以比較緩慢的速度向其中填充空氣，保持數(shù)小時以上。

通過選擇不同種類的C(不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的C)可以控制所獲得的Mg的結(jié)構(gòu)和形貌，例如當C為石墨粉時，可制備得到樹枝狀的Mg納米結(jié)構(gòu)；當C為活性炭粉末時，制備得到的是Mg納米顆粒。

目前尺度大小在30納米以下的Mg制備工藝復雜，條件苛刻，并且樣品不純。本發(fā)明制備的鎂結(jié)構(gòu)尺寸大小為納米級(對于線狀或枝狀等結(jié)構(gòu)指其直徑大小)，其尺寸分布范圍在10～30nm，多數(shù)為20nm左右，因此比表面積大，缺陷多，與氫反應具有更多的反應位點。另外與氫反應時，氫在鎂結(jié)構(gòu)中的擴散距離大大降低，從而極大的提高了其吸放氫動力學性質(zhì)。本發(fā)明方法具有設備簡單，合成速度快，成本低，產(chǎn)品純度高等優(yōu)點，比較容易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。另外，通過選擇不同種類的C的可以控制Mg的結(jié)構(gòu)和形貌，獲得新奇的結(jié)構(gòu)從而進一步提高Mg的吸放氫動力學性質(zhì)。本發(fā)明Mg納米結(jié)構(gòu)在用于儲氫材料時具有十分優(yōu)良的吸放氫動力學性質(zhì)，極有可能成為新一代的儲氫材料，因此在儲氫技術領域中具有極其重要的應用價值和廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的Mg納米結(jié)構(gòu)的X射線粉末衍射圖，其中(a)采用的C為活性碳，(b)采用的C為石墨。