[發(fā)明專利]一種過渡系金屬-N/C復合鎂基貯氫材料及其制備方法

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• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113104811A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雍輝;胡季帆;王帥;馬江微;崔燕
• 申請（專利權(quán)）人: 太原科技大學
• 主分類號: C01B3/00
• 分類號: C01B3/00;B22F9/04;C22C1/02;C22C23/06
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 趙禛

一種過渡系金屬?N/C復合鎂基貯氫材料及其制備方法，屬于貯氫材料技術(shù)領(lǐng)域，該貯氫材料主要成分為鎂，并由稀土、過渡系金屬硝酸鹽以及含氮的聚乙烯吡咯烷酮聚合物協(xié)同催化制得，具有納米晶結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的低溫吸放氫動力學性能。制備該貯氫材料的步驟為：制備鎂?稀土鑄態(tài)貯氫合金，制備過渡系金屬?N/C復合材料，使用機械球磨方法復合以上兩種材料，冷卻并經(jīng)低溫鈍化后制得過渡系金屬?N/C復合鎂基貯氫材料。本發(fā)明將稀土元素添加在鎂中，并采用稀土元素、碳、氮以及過渡金屬的協(xié)同催化作用大幅提升了鎂的可逆儲氫特性，克服了機械球磨過程中的粘壁現(xiàn)象，提高了材料回收率，且得到了低溫吸氫性能優(yōu)異的高容量鎂基復合儲氫材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于貯氫材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種過渡系金屬-N/C復合鎂基貯氫材料及其制備方法。

背景技術(shù)

氫能作為一種清潔、高效、安全的新能源得到了廣泛的研究，但如何安全、高效地儲存氫能仍是氫能應用中的關(guān)鍵問題，與傳統(tǒng)的氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫相比，固體儲氫材料不僅能有效地儲氫，而且避免了氫氣在使用過程中的消耗、泄漏和安全問題。然而，在眾多的固態(tài)儲氫材料中，只有Mg這樣的輕金屬才能有較高的儲氫比重，這對于開發(fā)能夠覆蓋實際行駛里程大于300英里的儲氫功能系統(tǒng)非常重要，特別是輕型燃料電池汽車。然而，由于純鎂錠儲氫熱力學性能差，氫化和脫氫過程需要在300℃以上的條件下進行，而且純鎂錠的吸放氫反應速率也極為緩慢。因此還不能應用于移動式儲氫系統(tǒng)。

球磨技術(shù)對于改善鎂基材料儲氫性能是最有效的方法，這主要是由于在球磨過程中，合金顆粒經(jīng)過不斷的斷裂-冷焊過程，致使合金顆粒不僅細化，而且也在合金顆粒內(nèi)部引入大量缺陷，甚至使得材料的相組成及晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響材料的物理和化學性質(zhì)。更重要的是，球磨技術(shù)可以實現(xiàn)通過摻雜各種具有催化功能的材料來制備具有更高性能的復合材料。然而，鎂基儲氫合金具有一定的韌性，塑韌，這導致其使用球磨處理時，容易粘附在磨球和罐壁上，使其事實上并不能經(jīng)受足夠的球磨處理。更重要的是，其冷焊速率遠大于其斷裂速率，致使合金難以細化，需要更高能量和動力才能使其細化。因此，改善鎂基合金材料球磨效率具有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對當前技術(shù)存在的不足，提供一種基于球磨技術(shù)的、過渡系金屬-N/C復合催化劑協(xié)同催化的鎂基復合儲氫材料及制備方法。該材料以鎂為主要吸氫相，包含的催化劑為多元稀土、過渡金屬及其高分子有機物。旨在通過引入多元協(xié)同催化作用，構(gòu)建高動力學性能的鎂基儲氫復合材料，本發(fā)明提供的鎂基復合儲氫材料能夠在低溫下快速吸放氫氣，滿足燃料電池使用需求。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。

一種過渡系金屬-N/C復合鎂基貯氫材料，所述貯氫材料采用純鎂錠作為原料，通過稀土金屬、過渡系金屬硝酸鹽以及含氮的聚乙烯吡咯烷酮聚合物協(xié)同催化制得具有納米晶結(jié)構(gòu)的過渡系金屬-NC復合鎂基貯氫材料，過渡系金屬-NC復合鎂基貯氫材料的晶粒尺寸為20-50納米；其中，所述稀土金屬的質(zhì)量占純鎂錠質(zhì)量的10-20％，過渡系金屬硝酸鹽以及含氮的聚乙烯吡咯烷酮聚合物的質(zhì)量占鎂-稀土鑄態(tài)貯氫合金總質(zhì)量的3-10％，過渡系金屬硝酸鹽的質(zhì)量占含氮的聚乙烯吡咯烷酮聚合物質(zhì)量的50-80％。

進一步地，所述稀土金屬為一種稀土金屬或者多種稀土金屬的混合物，所述過渡系金屬硝酸鹽以及含氮的聚乙烯吡咯烷酮聚合物為通過高溫碳化處理后制得的過渡系金屬-N/C復合材料。

進一步地，所述過渡系金屬硝酸鹽以及含氮的聚乙烯吡咯烷酮聚合物的質(zhì)量占鎂-稀土鑄態(tài)貯氫合金總質(zhì)量的6％。

一種過渡系金屬-N/C復合鎂基貯氫材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、制備鎂-稀土鑄態(tài)貯氫合金：向純鎂錠中添加稀土金屬，稀土金屬的質(zhì)量占純鎂錠質(zhì)量的10-20％，采用真空感應熔煉方法熔煉后澆鑄，制得鎂-稀土鑄態(tài)貯氫合金錠鑄態(tài)貯氫合金，然后將鑄態(tài)貯氫合金機械破碎至100目以下的粉末留待后步使用；