CN100459279C - 镁负极电极材料及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镁负极电极材料及制备方法和应用。采用气相沉积法制得镁纳米/微米材料，主要形貌有：纳米球、纳米片、纳米棒、纳米海胆球、微米球、微米片、微米棒和微米海胆。由于高的比表面积及化学活性，所制得的纳米镁组装的空气电池具有良好的电化性能，尤其是多孔网络结构的镁纳米海胆球具有更高能量密度(1200Wh/kg)和优异的高倍率放电性能。纳米镁材料不仅将极大推动镁/空气电池的迅速发展，而且还会在Mg-MnO2、Mg-Ag2O、Mg-海水电池等其它镁基电池领域有光明的应用前景。

Description

镁负极电极材料及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及镁负极电极材料及制备方法和应用。采用气相沉积法制得镁纳米及微米材料，包含镁微米球、镁纳米片、镁纳米棒、镁微米海胆球等。镁纳/微米材料具有高的比表面积和化学活性，在镁/空气电池中具有优良的电化学性能，尤其是多孔网络结构的镁纳米海胆球具有更高能量密度(1200Wh/kg)和优异的高倍率放电性能。
技术背景
随着经济和科技的发展，高能电池在家用电器、仪器仪表、移动通讯设备、便携式电子设备、国防装备等领域日益得到广泛的应用。在众多应用领域，对电池的经济耐用性、安全可靠性、使用方便性及环境友好性都提出了更加苛刻的要求。金属/空气电池是以金属(Zn，Mg，Fe，Al等)作为负极活性物质和空气(氧)作为正极活性物质的一类高端电池，其主要特点是大容量、高功率、低成本和少污染，已受到人们的广泛关注，被称为“面向21世纪的绿色能源”。而镁/空气电池以其高的理论比能量等优点，在电池领域占有一席之地，成为开发新型绿色化学电源的热点之一。
众所周知，镁是最重要的碱土金属元素之一，被广泛应用于有机合成、生物化学及电化学领域。目前，虽然镁的传统制备方法较为成熟，但国内外对镁纳米材料的研究仅限于高能球磨法制备镁纳米粒子及其相关纳米粒子复合材料(如：Y.K.Zhang，S.J.Liao，Y.H.Fan，Chemical reactivities of magnesium nanopowders.J.Nanopart.Res.2001，3，23；J.L.Bobet，E.Grigorova，M.Khrussanova，M.Khristov，P.Stefanov，P.Peshev，D.Radev，Hydrogen sorption properties ofgraphite-modified magnesium nanocomposites prepared by ball-milling.J.Alloys Compd.2004，366，298)。另外，镁纳米线只是用计算机模拟进行了理论研究(如：H.Li，F.Pederiva，G.H.Wang，B.L.Wang，Helical multishell structures of magnesium nanowires.J.Appl. Phys.2004，96，2214.)。迄今为止，只见球磨制备的镁纳米粒子及计算模拟的纳米线，但在国内外还未见文献报道其它形貌镁纳米材料的可控制备，更没有文献将纳米镁材料应用于高端化学电源来研究其综合电化学性能。
镁/空气电池既是贮能工具，又是一种燃料电池。与一般电池相比，镁/空气电池具有高的理论电压(3.09V)、高的理论能量密度(3910Wh/kg)、低成本、无污染和轻质等优点。但是由于一般镁电极为片状电极，在同样的表观电流密度下，其实际电流密度比多孔锌电极小得多，电极极化较大，所以镁/空气电池的性能要比锌/空气电池差。由于镁/空气电池的结构特点，改进镁电极性能将在很大程度上提高镁/空气电池整体综合性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种镁负极电极材料及制备方法和应用。通过调节加热温度、气体流速、反应时间及沉积温度等试验条件，用气相沉积法可控制备镁纳米球、纳米片、纳米棒、纳米海胆球、微米球、微米棒、微米片和微米海胆等，实现了对其形貌的有效控制制备。本发明特征在于镁/空气电池负极关键材料镁纳米化后能明显改善其物理和化学性能，特别是随着镁的纳米化，表面的原子数比例增加，使材料的电化学活性增加并大大提高镁电极的利用率，同时提高了电池的能量密度和高倍率放电性能。
本发明提供制备的镁负极电极材料纳米球、纳米片、纳米棒与纳米海胆球组装成的镁/空气电池具有优良的电化学性能，尤其是具有多孔网络结构的镁纳米海胆球，具有高的能量密度(1200Wh/kg)和良好的高倍率放电性能。因此，开发纳米镁在空气电池中的应用，对于研制新型镁/空气电池及其它镁基电池具有深远的实际意义。
本发明提供的镁负极电极材料包括纳米球、纳米片、纳米棒或纳米海胆球，其中，镁纳米球直径为200-500nm；镁纳米片直径为150-160nm，厚度为30-50nm，具有光滑的表面及规则形状；镁纳米棒直径仅为70-100nm，长度达200-500nm；镁纳米海胆球的直径为500nm，表面由若干个10-100纳米超细胡须状纤维构成。还包括：镁微米球、镁微米片、镁微米棒或镁微米海胆球。镁微米球直径：3-5μm，镁微米片直径：1-1.5μm，镁微米棒直径0.15-0.50μm，长度为5-20μm，镁微米海胆球直径为1.0-5.0μm，表面胡须状纤维的直径仅为10-100纳米。
本发明所述的镁负极电极材料的制备方法包括以下步骤：
1)将盛有高纯金属镁(99.9％)的钨舟放在不锈钢管中，在管式炉膛中，先以200ml/min流速通1小时高纯Ar(99.95％)以除去体系中氧气，在流速为400-800ml/min的Ar气保护下，850-950℃保温1-2小时，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端收集产品，自然冷却至室温，在衬底表面得到镁负极电极材料。
2)不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min、水洗、醇洗、干燥。
所述的金属镁使用量为0.1-5.0克。
本发明提供了镁纳米/微米电极材料制备方法的专用装置包括：Ar气瓶、气体干燥器、气体流量计、不锈钢反应器、管式炉、程序控温器、衬底和冷却除尘装置；Ar气瓶、气体干燥器、气体流量计、不锈钢反应器、冷却除尘装置依次连接，不锈钢反应器穿过带热电偶程序控温器的管式炉，衬底放置在不锈钢反应器冷却端，不锈钢反应器依次连接有压力表、阀门、冷却除尘装置。
高纯Ar气瓶通过不锈钢管路与气体干燥装置紧密连接，而后经过气体流量计；干燥后的气体流经管式炉左侧阀门进入不锈钢反应器；当管式炉的温度升至高温后，气体将传输反应器中的金属蒸气到冷却端衬底上。所述的装置中，不锈钢管反应器的长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm；管式炉为整个加热体系的主体，加热温度由程序控温仪通过热电偶加以控制；冷却除尘装置是利用水冷除去反应尾气中所含有的超细镁粉，减少固体粉尘污染。
本发明在制备方面的特点是：1)采用加热蒸发高纯镁粉，气相沉积法制得多种超纯镁纳米材料，所用原料廉价易得，整个体系无环境污染；2)新型镁纳米/微米材料可通过调节加热温度、气体流速、加热时间等试验条件有效控制，操作简单，工艺可控性强。
本发明中镁/空气电池是由镁凝胶负极、纤维素隔膜和空气电极组成。其中镁凝胶是由90wt％纳米镁、5wt％炭黑、2wt％羧甲基纤维素钠(CMC)凝胶剂和3wt％添加剂(过渡金属Ni、Co及其氧化物)组成。空气电极主要由防水透气层和催化导电层构成，由外到内的顺序依次为防水透气层、集流网(泡沫镍)和催化导电层；其中，防水透气层是将乙炔黑、PTFE乳液、Na2SO4混合，超声至糊状后辊压成型得催化膜，厚度为200-400μm；靠近电解液一侧催化层由钙钛矿La0.6Ca0.4CoO3纳米管、乙炔黑、PTFE乳液、Na2SO4混合超声至糊状后辊压成型的催化膜，厚度为100-400μm；La0.6Ca0.4CoO3纳米管电催化剂是综合利用溶胶-凝胶法和氧化铝模板法制得的，直径为200nm，长度与模板的厚度一致(50-60μm)，壁厚15nm。电解液选用添加了2.6M Mg(NO3)2的3.6M NaNO2中性电解液。电池在不同电流密度下的放电曲线是通过Arbin 2000充放电测试仪测定的。
本发明通过调节加热温度、气体流速及反应时间等试验条件，用气相沉积法可控制备镁纳米球、纳米片、纳米棒、纳米海胆球、微米球、微米片、微米棒和微米海胆等，实现了对其形貌的有效控制制备。本发明特征在于镁/空气电池负极关键材料镁纳米化后能明显改善其物理和化学性能，特别是随着镁的纳米化，表面的原子数比例增加，使材料的电化学活性增加并大大提高镁电极的利用率，同时提高电池的能量密度和高倍率放电性能。纳米球、纳米片、纳米棒、纳米海胆球组装成的镁/空气电池具有优良的电化学性能，尤其是具有多孔网络结构的镁纳米海胆球，具有高的能量密度(1200Wh/kg)和良好的高倍率放电性能。因此，开发纳米镁在空气电池中的应用，对于研制新型镁/空气电池及其它镁基电池具有深远的实际意义。纳米镁材料不仅将极大推动镁/空气电池的迅速发展，而且还会在Mg-MnO2、Mg-Ag2O、Mg-海水电池等其它镁基电池领域有光明的应用前景。
附图说明：
图1为制备镁纳米材料的实验装置示意图。
图2为不同形貌镁纳米材料的SEM图。
图3为不同形貌镁纳米材料的XRD图。
图4为镁微米球的SEM图。
图5为镁微米片的SEM图。
图6为镁微米棒的SEM图。
图7为镁微米海胆球的SEM图。
图8为不同形貌纳米材料的镁/空气电池的极化曲线。
具体实施方式
实施例1
镁纳米球的制备
图1为利用气相沉积法制备多种镁纳米材料的实验装置示意图。1-高纯Ar保护气，2-气体干燥体系，3-流速控制及显示设备，4-不锈钢反应器，5-加热及控温系统，6-衬底，7-冷却除尘装置。
Ar气瓶、气体干燥器、气体流量计、不锈钢反应器、冷却除尘装置依次连接，不锈钢反应器穿过带热电偶程序控温器的管式炉，衬底放置在不锈钢反应器冷却端，不锈钢反应器依次连接有压力表、阀门、冷却除尘装置。
高纯Ar气瓶通过不锈钢管路与气体干燥装置紧密连接，而后经过气体流量计；干燥后的气体流经管式炉左侧阀门进入不锈钢反应器；当管式炉的温度升至高温后，气体将传输反应器中的金属蒸气到冷却端衬底上。其中，管式炉为整个加热体系的主体，加热温度由程序控温仪通过热电偶加以控制，管式炉加热温度由人工智能温度控制器和炉体中央的热电偶控制，实际炉温与设定温度误差小于2℃。冷却除尘装置是利用水冷除去反应尾气中所含有的超细镁粉，减少固体粉尘污染。
将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm的不锈钢管放在上述装置的管式炉膛中，将盛有0.5克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在400ml/min的Ar保护下，850℃保温1小时，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
图2为不同形貌镁纳米材料的SEM图：(a)镁纳米球，(b)纳米片，(c)纳米棒(d)纳米海胆球；以及纳米棒的TEM图：(e)低倍TEM图，(f)为(e)中自方框区的HRTEM图(插图为付立叶变换)。所述方法制备的镁纳米球的扫描电镜如图2a所示：直径为200-500nm的镁微米球表面纳米粒子具有规整的六方结构，六方片的堆积层的棱角清晰可见。
实施例2
镁纳米片的制备
试验装置如实施例1所述，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有1.5克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，850℃保温1小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
所述方法制备的镁纳米片的扫描电镜如图2b所示：表面光滑的纳米片具有均一尺寸(50-460nm)，其片状结构有固定的六方几何形状且厚度仅为30-50nm。
实施例3
镁纳米棒的制备
在如图1的装置中，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有3.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，950℃保温1小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在400ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
所述方法制备的镁纳米棒的扫描电镜如图2c所示：纳米棒的长度为200-500nm，直径尺寸均一。镁纳米棒的细微结构可通过投射电子显微镜(TEM)(图2e，f)观察，其直径仅为70-100nm，表面的氧化膜很薄，说明利用实施例1所述的实验装置能制备超纯的轻金属纳米材料；纳米棒的高分辨衍射条纹的晶面间距仅为0.26nm，与(002)晶格间距相同，从而推断镁纳米棒沿[001]方向生长，这与图2f中的付立叶变换(FFT)分析结果一致。
实施例4
镁纳米海胆球的制备
装置如实施例1所述，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有4.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，950℃保温1小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
所述方法制备的镁纳米海胆球的扫描电镜如图2d所示：纳米海胆球为多刺球状形貌，表面为10-100纳米超细胡须状纤维，而且纳米胡须彼此相互交联形成多孔的网络结构。
图3为不同形貌镁纳米材料的XRD图：(a)纳米球，(b)纳米片，(c)纳米棒，(d)纳米海胆球。所述实施例1-4条件制备的4种纳米镁的XRD谱如图3表明：镁纳米球(图3a)、纳米片(图3b)、纳米棒(图3c)、纳米海胆球(图3d)的XRD谱图特征峰位置相似，只是峰强有所差别。由于纳米球和纳米片的结晶好，使特征峰较强；而纳米棒和纳米海胆球的小尺寸效应和更多缺陷导致峰的宽化。但所有衍射峰的位置都与纯镁的JCDPS标准卡片(No.35-0821)数据一致。在图中没有杂相衍射峰，表明制得样品均为纯镁，进一步说明试验装置设计的合理性。
实施例5
镁微米球的制备
上述的实施例1-4中所用的保温时间均为1小时，当延长保温时间至2小时，因晶核生长时间增加，得到了对应的微米沉积形貌。
装置如实施例1所述，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，850℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在400ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
图4为在850℃、流速400ml/min、300℃沉积2小时下制备镁微米球的SEM图：(a)低倍放大图、(b)高倍放大图。所述方法制备的镁微米球的扫描电镜如图4所示：镁微米球为直径均匀(3-5μm)、表面光滑的球状结构。
实施例6
镁微米片的制备
装置如实施例1所述，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，850℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
图5为在850℃、流速800ml/min、300℃沉积2小时镁微米片的SEM图：(a)低倍放大图、(b)高倍放大图。所述方法制备的镁微米片的扫描电镜如图5所示：镁微米片的直径为1.0-1.5μm的六方结构微米片，且较为规整的团聚在一起。
实施例7
镁微米棒的制备
装置如实施例1所述，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，950℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在400ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
图6为在950℃、流速400ml/min、300℃沉积2小时条件下制备的镁微米棒的SEM图：(a)低倍放大图、(b)高倍放大图。所述方法制备的镁微米棒的扫描电镜如图6所示：所述的镁微米棒，其特征在于长度为5-20μm且直径为0.15-0.50μm；随着沉积时间的增加，微米棒的长度增加，且在微米棒的表面均匀分布若干纳米粒子。
实施例8
镁微米海胆球的制备
装置如实施例1所述，将长度为80.0cm，Φ内径为1.2cm不锈钢管放在管式炉膛中，盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端。以200ml/min流速通高纯Ar(99.95％)1小时，以除去体系中氧气；在气体保护下，950℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800ml/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集沉积区样品并放入真空干燥器中保存；不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min，水洗、醇洗、干燥，可循环利用。
图7在950℃、流速800ml/min、300℃沉积2小时条件下制备镁微米海胆球的SEM图：(a)低倍放大图、(b)高倍放大图。所述方法制备的镁微米海胆球的扫描电镜如图7所示：所述的镁微米海胆球，其特征在于表面仍为纳米胡须构成网络结构，但海胆的直径增加到1.0-5.0μm，并有部分团聚现象。
实施例9
典型镁纳米材料的电化学性能研究
为考察镁纳米材料在镁/空气电池中的应用特性，本发明的特征在于系统研究了几种典型镁纳米形貌的电化学性能。
图8为不同形貌纳米材料的镁/空气电池的极化曲线：(a)纳米球，(b)纳米片，(c)纳米棒，(d)纳米海胆球。依实施例1-4条件下制备的4种纳米镁组装成镁/空气电池的极化曲线如图8表明：镁纳米球(图8a)、纳米片(图8b)、纳米棒(图8c)、纳米海胆球(图8d)组装的镁/空气电池的工作电压随放电电流密度增加而减小；且减小的幅度依次为：a＞b＞c＞d；特别地，纳米海胆球组装的镁/空气电池的电压变化平稳并具有高的工作电压，表明其具有高的能量密度和高倍率放电性能。
所述实施例1-4条件下制备4种纳米镁的制成镁/空气电池在不同放电电流密度下的能量密度如表1所示：各种镁纳米材料组装成的镁/空气电池具有优异的电化学性能，尤其是镁纳米海胆球为负极的电池在不同放电电流下的能量密度最佳(950-1200Wh/kg)。镁纳米材料在电池中具有独特的性能主要因为：1)镁/空气电池中的主要反应是：
(+)  O2+2H2O+4e-→4OH-             Φ°＝0.40V   (1)
(-)  2Mg+4OH-→2Mg(OH)2+4e-        Φ°＝-2.69V  (2)
总反应式：2Mg+O2+2H2O→2Mg(OH)2    E°＝3.09V    (3)
镁/空气电池的电能是由Mg生成Mg(OH)2反应的化学能转化而来，这意味着镁/空气电池的总能量主要由负极决定，因此其电化学动力学主要与表面积和电池结构有关。镁/空气电池的主要问题是在放电过程中镁片较低的库仑效率和较高的电极极化。2)由表1所示镁纳米棒和纳米海胆球比纳米球和纳米片的电化学性能好，可能是因为纳米棒和纳米海胆球的尺寸比较小。众所周知，材料纳米化后将在相当程度上改变其物理和化学性能。随着粒度的减小，表面的原子数比例增加，使材料的电化学活性增加并大大提高镁电极的利用率。3)在这四种纳米形貌中，纳米海胆球装配的空气电池不仅具有最高的能量密度(1200Wh/kg)，而且还展现出最佳的高倍率放电性能；这可能与海胆结构的高比表面积和独特的多孔网络结构有直接关系。如图8所示，随着放电电流密度增加，镁电极的极化增加，从而导致工作电压下降。镁纳米海胆球的高比表面积在放电过程中能减小镁电极的电流密度，使镁电极的极化相对较小，这种小尺寸效应增加了电池的电流密度、提高了高倍率放电能力。4)高的比表面积增加活性物质与电解液的有效接触，有助于降低电极反应的电阻，同时在一定程度上提高了放电电压。
表1不同形貌镁纳米组装的镁/空气电池在不同放电电流密度下的能量密度
不同形貌的镁纳米材料 不同电流密度(mA/cm<sup>2</sup>)下，镁/空气电池的实际能量密度(Wh/kg)5              25              50             100
  a纳米粒子   650            575             532            450
  b纳米片   760            680             623            560
  c纳米棒   920            830             770            705
  d纳米海胆球   1200           1100            1010           950

Claims (5)

1、一种镁负极电极材料的制备方法，其中镁负极电极材料为镁纳米球、镁纳米片、镁纳米棒、镁纳米海胆球、镁微米球、镁微米片、镁微米棒或镁微米海胆球；反应器为长度为80.0cm、内径为1.2cm的不锈钢管，不锈钢管用0.5mol/L HCl浸泡30min、经水洗、醇洗、干燥后，能循环利用；将不锈钢管放在管式炉炉膛中，其特征在于：
将盛有0.5克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在400mL/min的Ar气保护下，850℃保温1小时，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到直径为200-500nm的镁纳米球，并放入真空干燥器中保存；
将盛有1.5克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，850℃保温1小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到直径为50-460nm，厚度为30-50nm的镁纳米片，并放入真空干燥器中保存；
将盛有3.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，950℃保温1小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在400mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到直径为70-100nm、长度达200-500nm的镁纳米棒，并放入真空干燥器中保存；
将盛有4.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，950℃保温1小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到直径为500nm、表面由若干个10-100纳米超细胡须状纤维构成，且纳米胡须彼此相互交联形成多孔的网络结构的镁海胆球，并放入真空干燥器中保存；
将盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，850℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在400mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到直径为3-5μm且表面光滑的镁微米球，并放入真空干燥器中保存；
将盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，850℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到直径为1.0-1.5μm的六方结构的镁微米片，并放入真空干燥器中保存；
将盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，950℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在400mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到长度为5-20μm，直径为0.15-0.50μm的镁微米棒，并放入真空干燥器中保存；
将盛有5.0克高纯镁的钨舟放在不锈钢管中，不锈钢或铜衬底平放在不锈钢管下游冷却端，以200mL/min流速通高纯Ar气1小时，以除去体系中氧气；在Ar气保护下，950℃保温2小时，高纯Ar载气在加热过程中控制在800mL/min，反应结束后，体系自然冷却到室温，在衬底表面会得到银灰色镁膜，收集衬底上的样品，得到表面为纳米胡须构成网络结构，直径为1.0-5.0μm的镁微米海胆，并放入真空干燥器中保存。
2、一种如权利要求1所述方法制备的镁负极电极材料，其中镁负极电极材料为镁纳米棒、镁纳米海胆球、镁微米棒或镁微米海胆球；其特征在于：
镁纳米棒的长度为200-500nm，直径尺寸为70-100nm；镁纳米海胆球为多刺球状形貌，直径为500nm，表面为10-100nm超细胡须状纤维，而且纳米胡须彼此相互交联形成多孔的网络结构；镁微米棒的长度为5-20μm，直径为0.15-0.50μm，且在微米棒的表面均匀分布若干纳米粒子；镁微米海胆球的表面为纳米胡须构成网络结构，镁微米海胆球的直径为1.0-5.0μm，并有部分团聚现象。
3、一种权利要求1所述的镁负极电极材料的制备方法的专用设备，其特征在于它包括Ar气瓶、气体干燥器、气体流量计、不锈钢反应器、管式炉、程序控温器、衬底和冷却除尘装置；Ar气瓶、气体干燥器、气体流量计、不锈钢反应器、冷却除尘装置依次连接，不锈钢反应器穿过带热电偶程序控温器的管式炉，衬底放置在不锈钢反应器冷却端，不锈钢反应器依次连接有压力表、阀门和冷却除尘装置。
4、权利要求2所述的镁负极电极材料的应用，其特征在于它应用于镁/空气电池。
5、按照权利要求4所述的镁负极电极材料的应用，其特征在于所述的镁/空气电池是由镁凝胶负极、纤维素隔膜和空气电极组成，其中镁凝胶负极由90wt％的权利要求2所述的镁负极电极材料、5wt％炭黑、2wt％羧甲基纤维素钠凝胶剂和3wt％添加剂过渡金属Ni、Co、Ni的氧化物或Co的氧化物组成；空气电极由外到内的顺序依次为防水透气层、集流网和催化导电层；其中，防水透气层是将乙炔黑、PTFE乳液、Na2SO4混合超声至糊状后，再辊压成膜，其厚度为200-400μm；靠近电解液一侧催化层由钙钛矿La0.6Ca0.4CoO3纳米管、乙炔黑、PTFE乳液、Na2SO4混合超声至糊状后辊压成型得催化膜，厚度为100-400μm；La0.6Ca0.4CoO3纳米管电催化剂是综合利用溶胶-凝胶法和氧化铝模板法制得的，直径为200nm，长度与模板的厚度一致，为50-60μm，壁厚15nm，电解液用添加了2.6摩尔/升Mg(NO3)2的3.6摩尔/升NaNO2中性电解液。
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