[發明專利]一種鎂基三元儲氫合金薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 202310275635.1
• 申請日: 2023-03-20
• 公開（公告）號: CN116240494A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 王輝;余少博;黃亮君;歐陽柳章;劉江文;朱敏
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/18;C23C14/35
• 代理公司: 佛山粵進知識產權代理事務所(普通合伙) 44463
• 代理人: 王余錢

本發明公開了一種鎂基三元儲氫合金薄膜及其制備方法，所述鎂基三元儲氫合金薄膜結構包括依次設置的鎂基三元合金層、催化層和表面覆蓋層。所述的鎂基三元合金層的元素組成為Mgsubgt;80/subgt;Nisubgt;16/subgt;Vsubgt;4/subgt;。所述的催化層和表面覆蓋層元素組成為Pd。該方法通過物理氣相沉積(PVD)將Mg?Ni合金靶和高純度V靶材共濺射、共沉積至預處理的基底上，中間穿插高純度Pd靶材的濺射沉積以獲得Pd催化層，最后在薄膜表面再次沉積一層Pd作為表面覆蓋層對薄膜進行封裝。本發明制備得到的鎂基三元儲氫合金薄膜具有制備工藝簡單、成本低、可在低溫下可逆吸放氫的優點。其吸放氫可在150℃下進行，150℃下活化后可逆儲氫容量可達3.8wt.％以上。相較于純鎂儲氫(純鎂最低放氫溫度約為400℃)，其放氫溫度顯著降低。

技術領域

本發明涉及固態儲氫領域，具體涉及鎂基三元儲氫合金薄膜及其制備方法。

背景技術

氫化鎂(MgH₂)因其理論儲氫能力高、可逆性、價格合理、地球儲量豐富且環境友好，仍然是最有前途的儲氫候選者之一。然而，受其過高的熱力學穩定性和極差的動力學性能等缺陷的影響，純鎂儲氫應用前景面臨著極大的困境。在過去的幾十年里，人們采用了許多方法來改善純鎂的儲氫特性，其中合金化和催化劑添加是兩種常用的方法。對于催化劑的添加，大量研究表明，過渡金屬(TM)及其氫化物可以通過分別為α-Mg的成核提供活性成核位點和為H原子的擴散提供快速通道來改善純Mg的儲氫性能。對于合金化，Mg₂Ni合金是典型的代表，其氫化物Mg₂NiH₄的生成焓相對于純MgH₂顯著降低至-64.5kJ/mol，這意味著相比于純的MgH₂，Mg₂NiH₄可在更低的溫度下釋放氫氣。而在Mg₂Ni合金的基礎上，為了進一步提高其儲氫特性，人們通過合金化對A側和B側元素的部分取代同樣進行了大量研究。例如，通過分別與Ti和Cr合金化，可以降低和提高Mg₂Ni的放氫活化能和循環穩定性[Wang?X.,TuJ.,Zhang?X.,et?al.The?Chinese?Journal?of?Nonferrous?Metals,12(2002)907-911.][Liang?G.,Huot?J.,Boily?S.,et?al.J.Alloys?Compd.282(1999)286-290.]。

除了常用的機械合金化外，薄膜技術因其可對材料成分、界面和晶粒尺寸進行精確控制的優勢，也被廣泛應用于鎂基儲氫材料的研究。例如，Tan等人[Tan?X.,Danaie?M.,Kalisvaart?W.P.,et?al.Int.J.Hydrogen?Energy?36(2011)2154-2164.]通過磁控濺射制備得到了Mg-15at.％Ni薄膜，其在200℃下可釋放超過4.5wt.％的氫。此外，在Mg₈₄Ni₁₆/Pd薄膜中也發現了良好的吸氫動力學特性，其可在45s內吸氫飽和，這主要是與Mg₈₄Ni₁₆/Pd薄膜中大量存在的Mg₂Ni增加了氫擴散速率并引入了額外的界面能有關[Liu?T.,Cao?Y.,XinG.,et?al.Dalton?Trans.42(2013)13692.]。這些工作表明，薄膜技術是研究鎂基合金儲氫性能的有效方法。但上述的Mg2Ni合金以及Mg84Ni16/Pd薄膜仍然存在放氫起始溫度過高、低溫放氫容量不足且循環穩定性不佳等缺陷。

發明內容

本發明的第一目的在于提供一種鎂基三元儲氫合金薄膜，該合金薄膜具有低放氫起始溫度、在低溫下優異的放氫容量和良好的循環穩定性。

為了實現上述發明目的，本發明的鎂基三元儲氫合金薄膜，其特征在于，包含依次設置的鎂基三元合金層、催化層、鎂基三元合金層和表面覆蓋層。