[發(fā)明專利]一種含催化劑的碳包覆Mg基儲氫材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910271042.1
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN109928360B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉彤;胡苗苗;陳明
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C01B3/00
• 分類號: C01B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供了一種含催化劑的碳包覆Mg基儲氫材料的制備方法，該方法通過等離子電弧和電阻加熱臺分別加熱催化劑金屬錠和Mg塊以制備Mg顆粒尺寸小于20nm且含有金屬催化劑的碳包覆Mg基復(fù)合納米顆粒。本發(fā)明的制備方法可通過調(diào)節(jié)Mg的質(zhì)量和電阻加熱臺溫度調(diào)控生成Mg顆粒的尺寸；通過調(diào)節(jié)等離子電流調(diào)控生成的金屬催化劑的顆粒尺寸；通過調(diào)節(jié)甲烷添加量可制備得到碳層厚度小于5nm的超薄碳殼。本發(fā)明方法制備的Mg基儲氫材料具有Mg顆粒尺寸小、碳包覆層薄、并含有催化劑的特點，能夠有效提高Mg和催化劑的裝載率及其儲氫性能。同時，本發(fā)明方法使用的原料價格低廉，工藝簡單易行，綠色環(huán)保。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米儲氫材料，尤其涉及一種含催化劑的碳包覆Mg基儲氫材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著化石能源的枯竭和環(huán)境污染問題的日益嚴重，氫能源由于其可再生及無污染的優(yōu)點，成為替代石油等非可再生能源的理想能源之一。儲氫作為氫能源產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，制約著氫能源的實際應(yīng)用。因此，發(fā)展一種安全高效的儲氫方法是實現(xiàn)氫能源利用的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)儲氫方式相比，金屬氫化物儲氫具有儲氫密度高和可靠性高的優(yōu)點。在金屬氫化物儲氫材料中，Mg由于其儲量豐富、密度小、成本低、高理論儲氫容量和優(yōu)異的可逆儲氫性能，成為最具有應(yīng)用前景的儲氫材料之一。然而，Mg基儲氫材料吸放氫動力學(xué)性能差和放氫溫度高的缺點，限制了其實際應(yīng)用。

為改善Mg基儲氫材料性能，目前研究熱點集中于將鎂的顆粒尺寸納米化和添加適合的催化劑。納米化可以增加比表面積，降低氫擴散距離，從而改善Mg的吸放氫性能。但是納米級Mg顆粒活性很強，極易氧化，并且在吸放氫循環(huán)過程中易聚集長大。納米限域已被證明是一種克服Mg的熱力學(xué)和動力學(xué)缺陷，同時防止納米級Mg發(fā)生氧化和團聚的有效方法。目前，納米限域多為先制備限域材料，然后使用含Mg有機物為原料，通過液相還原法將Mg負載在限域材料中。然而這種方法的原料價格高、反應(yīng)過程復(fù)雜、工藝繁瑣、成本高，同時Mg的裝載率低，也很難在被限域的Mg基材料中添加催化劑。張旋洲等人(CN102233435B.)使用乙炔等離子體金屬反應(yīng)方法制備了Mg顆粒尺寸為40nm的碳限域Mg納米顆粒。在制備過程中，Mg納米顆粒的生長受到乙炔分解產(chǎn)生的碳的限制，隨著等離子體中乙炔含量的增加，Mg顆粒的尺寸呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。然而，其添加乙炔氣體的比例高達21.7％時，顆粒尺寸僅減小到40nm，且包覆的碳層較厚，導(dǎo)致了低的儲氫量。另外，由于缺少催化劑，樣品的儲氫動力學(xué)性能有待進一步提高。研究表明，某些金屬單質(zhì)及其化合物作為高效催化劑可顯著提升Mg的吸放氫性能。因此，如何進一步減小碳包覆Mg顆粒尺寸，同時將催化劑添加到納米限域的Mg基儲氫材料中是一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是提供一種通過等離子電弧和電阻加熱臺分別加熱金屬催化劑和Mg塊，以控制催化劑和Mg的顆粒尺寸，制備含催化劑的碳包覆Mg基復(fù)合納米顆粒的方法，利用等離子電弧加熱沸點較高、較難蒸發(fā)的金屬錠(催化劑)，利用電阻加熱臺加熱沸點較低、較易蒸發(fā)的金屬Mg塊。等離子弧加熱產(chǎn)生的金屬蒸氣與電阻加熱臺加熱產(chǎn)生的Mg蒸氣在冷凝過程中相互碰撞，形成原子團簇，并進一步形核、長大成復(fù)合納米顆粒。在等離子弧區(qū)，甲烷分解產(chǎn)生碳和氫。其中，碳對冷凝過程中的金屬納米顆粒進行包覆，以限制其進一步生長，最終生成含催化劑的碳包覆Mg基復(fù)合納米顆粒。使得經(jīng)本發(fā)明方法制備的Mg基儲氫材料的儲氫性能得到顯著改善。

本發(fā)明的目的之二是提供一種原位生成催化劑的碳包覆Mg基復(fù)合儲氫材料。該Mg基復(fù)合儲氫材料在Mg基體和碳包覆層之間均勻彌散分布著金屬催化劑。金屬催化劑為金屬單質(zhì)或合金，碳包覆層厚度可以控制在5nm以下，Mg的顆粒尺寸可以控制在20nm以下，Mg和催化劑的裝載率可以達到90％以上。使得經(jīng)本發(fā)明方法制備得到的Mg基儲氫材料具有優(yōu)異的儲氫性能。

制備本發(fā)明的一種含催化劑的碳包覆Mg基儲氫材料的方法，具體步驟如下：

(1)將作為催化劑的金屬錠置于等離子體設(shè)備反應(yīng)腔室的銅坩堝上，將Mg塊放置在反應(yīng)腔室內(nèi)的電阻加熱臺上；