CN102602884A - 储氢材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了储氢材料，所述储氢材料包括嵌入到碳微结构中的金属氢化物材料，该碳微结构一般比周围的本体金属氢化物材料展示出更大的体积导热率。

Description

储氢材料

技术领域

本技术领域一般涉及储氢材料以及制备和使用它的方法。

背景技术

作为广泛设备的可能的燃料源，氢的使用已经推动了氢气存储和运输技术的大量研究。一种目前的储氢方法涉及使用含有一种或多种能够与气态氢发生反应以可逆地形成金属氢化物化合物的金属(包括合金)的储存罐。与通过在标准储氢条件下将氢气储存在压力容器中正常可能的情况相比，通过金属氢化物形成性金属可逆的存储和释放氢气使得氢气能够以每单位体积更大量储存。该储氢技术的特定目的，进一步来讲，是储存有用量的氢气以使耗氢装置可以运行足够长的时间而无需不断补充其氢燃料储量。为了淘汰否则可能需要的某相当复杂而昂贵的辅助设备，目前也尝试进行在温和的温度和压力条件下为耗氢装置提供氢气的努力。

吸附氢气以形成金属氢化物化合物通常是放热反应，其通常需要除去和消散至少一部分产生的热量从而不会抑制进一步的氢气吸附。相反，从金属氢化物化合物中解吸氢气通常是吸热反应，其可能需要快速和/或持续供热以驱动所述反应并以足够的速率释放氢气。因此，有效地向金属氢化物化合物传热和从金属氢化物化合物传热的能力是有助于其整体体积储氢容量(bulk hydrogenstorage capacity)并进而直接影响氢气必须被重新补给至包含金属氢化物化合物的罐或容器中的频率的因素。

因此，对于氢气的储存而言改善了的储氢材料的研发是目前所需的。

发明内容

本发明的一个示例性实施方案包括具有碳微结构的产品，该碳微结构具有开孔骨架，所述开孔骨架至少部分由形成重复且集成的单胞(unit cell)的多个碳片段来限定以使该碳微结构具有约70％至约95％的范围的开孔体积。金属氢化物可被嵌入到该碳微结构的开孔体积里。这种碳微结构可比该金属氢化物材料更导热。

本发明的另一个示例性实施方案包括具有碳微结构的产品，该碳微结构具有开孔骨架，所述开孔骨架至少部分由在间隔开且对准的节点处互相贯穿以形成具有重复且集成的单胞的三维微桁架(microtruss)的多个碳片段来限定。该碳微结构可能包括占碳微结构总重量的至少90重量％的玻璃碳。该三维微桁架的单胞可包括四个碳片段，所述四个碳片段所述节点之一处互相贯穿以形成相对的四棱锥半体(quadrilateral pyramidal half)。所述多个碳片段可具有厚度，所述节点可在微桁架的平面内彼此分开一定距离以提供开孔体积约70％至约95％的该碳微结构。所述多个碳片段中的至少一个还可包括内部裂纹。此外，金属氢化物可嵌入到该碳微结构的开孔体积里。

本发明的另一个示例性实施方案包括方法，它包括如下步骤：提供包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由构成重复且集成的单胞的多个碳片段来限定，以使该碳微结构具有约70％至约95％的开孔体积；和嵌入金属氢化物材料到该碳微结构的开孔体积里。

本发明在下列实施方案中得以进一步体现：

1.产品，包括：

包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由形成重复的、集成的单胞的多个碳片段来限定，以使该碳微结构具有约70％至约95％的开孔体积；和

嵌入到该碳微结构的所述开孔体积中的金属氢化物材料；

其中该碳微结构比该金属氢化物材料更导热。

2.如实施方案1所述的产品，其中该碳微结构由占该碳微结构总重量的至少90重量％的玻璃碳形成。

3.如实施方案1所述的产品，其中该碳微结构具有约0.07g/cm³至约0.60g/cm³的体积密度。

4.如实施方案1所述的产品，其中该开孔骨架包括三维微桁架，在所述三维微桁架中所述多个碳片段在间隔开且对准的节点处互相贯穿以使所述微桁架的单胞包括四个碳片段，所述四个碳片段在所述节点之一处互相贯穿以形成相对的四棱锥半体。

5.如实施方案4所述的产品，其中所述碳片段的横截面呈圆形，并具有约1μm至约500μm的直径。

6.如实施方案4所述的产品，其中所述节点在所述微桁架的平面中彼此间隔开约10μm至约5mm的距离。

7.如实施方案1所述的产品，其中至少一个碳片段包含内部裂纹。

8.如实施方案1所述的产品，其中该碳微结构进一步包括相对高导热材料的至少一个表面沉积物，并且其中所述表面沉积物以占该碳微结构总重量的约0.1到约10重量％存在。

9.如实施方案8所述的产品，其中该相对高导热材料包括铝、铜、镍或其组合中的至少一种。

10.如实施方案8所述的产品，其中所述至少一个表面沉积物包括在至少一个所述碳片段上的所述相对高导热材料的多个小簇。

11.如实施方案8所述的产品，其中所述至少一个表面沉积物包括在至少一个所述碳片段上的所述相对高导热材料的薄连续涂层。

12.如实施方案11所述的产品，其中整个碳微结构用所述相对高导热材料进行电镀。

13.如实施方案1所述的产品，其中该金属氢化物材料包括至少一种可氢化的金属或合金。

14.如实施方案12所述的产品，其中该金属氢化物材料包括至少一种通式为AB₅、AB、A₂B或AB₂的合金，其中A和B代表金属元素。

15.产品，包括：

包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由多个碳片段限定，所述多个碳片段在间隔开的且对准的节点处互相贯穿以形成具有重复的、集成的单胞的三维微桁架，所述碳微结构包括占所述碳微结构总重量的至少90重量％的玻璃碳，该三维微桁架的单胞包括在所述节点之一处互相贯穿以形成相对的四棱锥半体的四个碳片段，所述多个碳片段具有厚度且所述节点在所述微桁架的平面中彼此间隔开一定距离以为该碳微结构提供约70％至约95％的开孔体积，以及其中至少一个碳片段具有内部裂纹；和

嵌入到该碳微结构中的金属氢化物材料。

16.如实施方案15所述的产品，其中该碳微结构具有约0.07g/cm³至约0.60g/cm³的体积密度，其中所述碳片段的厚度是约1μm至约500μm，以及其中所述节点在所述微桁架的平面中彼此间隔开约10μm至约5mm的距离。

17.如实施方案15所述的产品，其中所述碳微结构进一步包括相对高导热材料的至少一个表面沉积物，以及其中该表面沉积物以占该碳微结构总重量的约0.1至约10重量％存在。

18.如实施方案17所述的产品，其中所述至少一个表面沉积物包括在至少一个碳片段上的所述相对高导热材料的多个小簇或者在至少一个碳片段上的所述相对高导热材料的薄连续涂层。

19.方法，包括：

提供包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由形成重复的、集成的单胞的多个碳片段来限定，以使该碳微结构具有约70％至约95％的开孔体积；和

将金属氢化物材料嵌入到该碳微结构的所述开孔体积中。

20.如实施方案19所述的方法，其中所述嵌入该金属氢化物材料的步骤包括：将可氢化的金属或合金前驱体材料熔融至该碳微结构中；

冷却该可氢化的金属或合金前驱体材料；和

氢化该可氢化的金属或合金前驱体材料以将氢并入到该可氢化的金属或合金前驱体材料中并形成具有储氢能力的所述金属氢化物材料。

21.如实施方案19所述的方法，其中所述嵌入该金属氢化物材料的步骤包括：

研磨可氢化的金属或合金前驱体材料至预定细度的粉末；

过滤该可氢化的金属或合金前驱体材料的粉末至该碳微结构中；和

氢化该可氢化的金属或合金前驱体材料以将氢并入到该可氢化的金属或合金前驱体材料中并形成具有储氢能力的所述金属氢化物材料。

本发明的其他示例性实施方案将通过下文所提供的详细描述而显而易见。需要说明的是该详细描述和具体实施例在公开本发明的示例性实施方案的同时，只意在说明而非意在限制本发明的范围。

附图说明

通过详细描述和附图将更充分的理解本发明的示例性实施方案，其中：

图1是根据本发明的一个实施方案的储氢材料的透视图。

图2是根据本发明一个实施方案开孔碳微结构的单胞的透视图。

图3是根据本发明一个实施方案的储氢材料的说明性的部分横断面图。

图4是显示了根据本发明一个实施方案形成储氢材料的简略工艺流程图。

图5是显示了根据本发明一个实施方案形成储氢材料的简略工艺流程图。

图6是根据本发明一个实施方案的开孔碳微结构的一部分的扫描电镜图。

图7显示了根据本发明的一个实施方案储氢材料中金属氢化物材料的体积百分比和开孔碳微结构的体积百分比之间的关系，和出于对比的目的为了获得相当的体积导热率(bulk thermal conductivity)所需的铝添加剂的重量百分比。

具体实施方式

实施方案的下述说明在本质上仅是示例，绝非意在限制本发明、其应用或用途。

为产生能量或其他目的而消耗氢气的装置需要以有效的方式储存并且被供给氢气。例如，就耗氢机动车而言，使用燃料电池动力装置，例如PEM燃料电池堆，作为机动车主要的能量发生装置，估计可能需要大概5-13Kg氢气以获得至少300英里的行驶范围。其他耗氢装置，从大型固定发电装置到便携的耗能设备，可能具有非常不同的氢气原料需求以及可能也在相似的或非常不同的压力和温度条件下运行。但是，非常能够储氢的材料可潜在地有利于上述广泛的耗氢装置。

已开发了包含嵌入到碳微结构中的金属氢化物材料的储氢材料。该碳微结构通常比其周围的本体金属氢化物材料(bulk metal hydride material)展示出更大的导热率。例如，该碳微结构根据其组成和构造可获得高达甚至超过约10Wm^-1K^-1的导热率，而周围的本体金属氢化物材料的导热率一般在1-2Wm^-1K^-1附近。如果需要，加入至少一种相对高导热性材料的表面沉积物可以进一步增加碳微结构的导热率。该碳微结构可被制备成具有一种或多种形式的同素异形碳作为其主要成分；也就是说，该碳微结构可以(1)完全由碳的一种或多种同素异形体形成或者(2)由其中所述一种或多种形式的同素异形碳作为主要成分的物质的组合形成。在一个实施方案中，碳微结构可全部或几乎全部由玻璃碳组成。在这种碳微结构中玻璃碳的重量百分比可以占碳微结构总重量(碳含量加上所述至少一种表面沉积物，如果有的话)的约90％至约100％。碳的其他同素异形体和/或所述任选的表面沉积物(一种或多种)可构成碳微结构剩余的重量百分比，如果有的话。

该碳微结构可包括遍及至少一部分所述嵌入的金属氢化物材料的导热性碳的开孔骨架。与正常所可能的相比，这种安排允许热量以更大的速率和热学上更有效的方式均匀传递给该嵌入的金属氢化物材料和从该嵌入的金属氢化物材料传走。该碳微结构也可被形成以具有相对高的开孔的或空的体积以使得在金属氢化物材料中碳微结构的夹杂并不导致能量密度的损失，该能量密度损失可能降低在导热率方面所实现的增益。包含具有这些属性的碳微结构的储氢材料可以帮助加速氢气的吸附和解吸动力学，这进而加快了在重复循环的过程中储氢材料的氢气充入和排放的时间。如果需要，将该金属氢化物材料进行昂贵的高能活化过程-例如在高温和高压下将金属氢化物颗粒粉碎成具有无氧表面的小尺寸的颗粒-的需求可能因此减少或完全取消。也可获得许多其他的结果和好处，这对本领域的技术人员而言是已知且理解的。

现在参见图1，它显示了包含嵌入到碳微结构14中的金属氢化物材料12的储氢材料10的一种实施方案。该储氢材料10可被放置在储氢罐中以帮助促进到相关耗氢装置(未显示)中的氢气的储存和运输。但是当然，该储氢材料10也可用在很多其他寻求实现和/或管理氢气的储存/释放循环的应用中。

金属氢化物材料12可包含至少一种可氢化的金属或合金。近来这种可氢化的金属和合金由于它们在相对温和的温度和压力下具有可逆的吸附和解吸氢气的能力而变得热门。相关文献报道了许多不同的简单的、过渡的和复杂的可氢化的金属和合金，它们已经被确认为对于氢气的储存和运输应用而言是有前途的替代品。示例性的可氢化的金属和合金包括，但不限于，镁金属(Mg)和具有通式AB₅、AB、A₂B或AB₂的合金，其中A和B代表多种已知的金属。一些具体和常用的合金包括LaNi₅、Mg₂Ni，、FeTi、LiAl、NaAl、LiB、CaB、CaMg₂、LaNi₃Co₂、ZrV₂、和LiN。这些可氢化的合金中的一些也可能用例如铝或钛进行掺杂以帮助改善它们的体积性和重量性储氢能力。这种掺杂的可氢化合金的一个例子是LiNi_4.7Al_0.3。虽然刚提及的示例性可氢化合金是用氢并入前的元素组成列出的，但是应该理解的是这些合金的记载也意图包括它们各自的氢化物化合物(即，“LaNi₅”是指LaNi₅和LaNi₅H₆两者，而“LiAl”是指LiAl和LiAlH₄两者，等等)。因此，有很多其他在文献中已被报导的可用于制造金属氢化物材料12的可氢化的金属和合金。储氢材料10中也可包括额外的材料，比如例如可以从氢气中除去已知的或预期的杂质的吸收剂。

在一个实施方案中，碳微结构14可以表现为开孔骨架，它在整个金属氢化物材料12或金属氢化物材料12的指定部分形成了导热碳的网络；也就是说，该碳微结构14可以是至少部分由预定几何构型的重复的、集成的单胞来限定的通常多孔的、均匀的三维物理微结构。这样的开孔骨架可显著提高储氢材料10的体积导热率(bulk thermal conductivity)。这是因为遍及金属氢化物材料12的导热碳的延伸网络可以比金属氢化物材料12本身好得多地传递热。在储氢材料10中发生的氢气吸附和解吸反应两者的动力学也因此可以增强。例如，氢气放热吸附过程中产生的热量的相当大量可以从本体金属氢化物材料12中的任何地方被提取并且相应地进行消散。相似地，热量能以同样的方式在整个金属氢化物材料12中均匀输送以帮助驱动吸热的氢气解吸反应。

该开孔骨架可进一步提供一相对高的开孔或孔隙体积以使在储氢材料12体积导热率方面实现的任何增益并不必然伴随着用于形成储氢材料10的金属氢化物材料12的量的显著减少。储氢材料10的体积导热率可因此被提高，而不会必然严重损失储氢材料10的体积性和重量性储氢能力及相应的能量密度。此外，在碳微结构14中获得相对高的开孔体积的能力可以确保氢气在储氢材料10中的扩散不被过分限制。

在如图1所示的一个实施方案中，碳微结构14的开孔骨架可以是三维的集成的微桁架(microtruss)。该微桁架(其单胞20如图2所示)可包括在间隔开的且对准的节点24处相交的任意横截面形状的碳片段22。如图所述，例如，每个单胞20可包括四个圆形的碳片段22，它们在节点24之一处彼此汇集且互相贯穿以形成相对的四棱锥半体26。该集成的微桁架的节点24可在垂直面和水平面两者中对准。图6显示了与图1和图2所阐明的相似的实际集成的碳微桁架的一部分的扫描电镜图。

碳片段22的厚度(如果该片段是圆形则为直径)可以在约1μm至约500μm的范围。同一平面中相邻节点24之间的距离，不论垂直的还是水平的，可以在约10μm至约5mm范围。这样的尺寸可以为单胞20以及因此整个碳微结构14提供约70％至约95％的开孔体积和相应的约0.07g/cm³至约0.60g/cm³的体积密度。如果需要，可以改变碳片段22的厚度以及相邻节点24之间的距离以调节碳微结构14的开孔体积。

此外，碳微结构14的体积密度可以通过控制它的开孔体积和碳含量以预定方式影响。例如，当几乎全部由玻璃碳形成且具有约70％的开孔体积时，碳微结构14一般具有在或接近0.50g/cm³的体积密度。相对于碳的更重的同素异形形式减少玻璃碳的含量将趋于增加碳微结构14的体积密度，而另一方面，增加开孔体积将趋于减少碳微结构14的体积密度。实际上，如另一实例，当几乎全部由玻璃碳形成且具有约95％的开孔体积时，碳微结构14将一般具有在或者接近0.07-0.08g/cm³的体积密度。

一些或全部的碳片段22可进一步包含内部裂纹28，作为最好的例证在图3的横截面平面剖视图内阐明。内部裂纹28可纵向延伸、纵向和横向延伸、或者甚至在某种程度上任意地穿过碳片段22。内部裂纹28可使得碳片段22以及由此碳微结构14整体上呈内部多孔并因而便于内部氢气扩散。碳微结构14的这种属性可进一步使得储氢材料10内部的氢气扩散的规模与开孔体积的增加相当；也就是说，内部裂纹28给出这样的感觉：即碳微结构14具有比它实际有的更大的开孔体积。如下文的进一步描述，内部裂纹28可在储氢材料10的预淬火过程中在碳片段22中形成。

碳微结构14还可包括相对高导热材料的至少一个表面沉积物30，以帮助增强其导热率和/或与嵌入的金属氢化物材料12(或可氢化的金属或合金前驱体材料)之间的表面互相作用。相对高导热材料的一些例子包括，但不限于，镍、金、铜和铝。所述至少一种表面沉积物30的加入将略微增加碳微结构14的体积密度，所述增加与特定高导热材料产品的体积密度和其被采用的重量百分比的乘积成比例。

在一个实施方案中，该至少一个表面沉积物30可以是在至少一个碳片段22的表面上相对高导热材料的多个小簇(如图2中在左下方碳片段上所示)。整个碳微结构14可以包含相对高导热材料的这些小簇。但是在某些情况下，只有碳微结构14的选定部分可以作为目标。相对高导热材料的小簇，根据其应用的程度，可以总共构成了碳微结构的约0.1至约10重量％，基于碳微结构和所述至少一个表面沉积物30的总重量。相对高导热材料的小簇可以通过包括蒸发沉积和磁控溅射的本领域技术人员已知的任何合适的方法施加在碳微结构14的所述至少一个碳片段22上。

在另一实施方案中，该至少一个表面沉积物30可以是在至少一个碳片段22的表面上的相对高导热材料的薄连续涂层(如图2中在左上方碳片段上所示)。可以涂敷整个碳微结构14以使碳微结构14的绝大部分被所述相对高导热材料包覆。但是如前所述在某些情况下，只有碳微结构14的选定部分可以作为目标。该相对高导热材料的连续涂层，根据其应用的程度，可以总共构成了碳微结构的约0.1至约10的重量％，基于碳微结构和所述至少一个表面沉积物30的总重量。该相对高导热材料的连续涂层可以通过电镀或本领域技术人员已知的任何其他合适的方法施加到碳微结构14的所述至少一个碳片段22上。

如图1-2所示的包含集成的微桁架的碳微结构14可以在用金属氢化物材料12嵌入前通过本领域技术人员已知的任何方法制造。例如，在一个实施方案中，可提供在形状上与所需的集成的微桁架相同的或接近相同的聚合物模板，接着进行碳化以形成碳微结构14。如果需要，可进行额外的中间步骤以帮助改善碳微结构14的碳产率。

可通过由光聚合物利用固化自蔓延光聚合物波导形成三维聚合物微结构的方法提供该聚合物模板。这种方法可能涉及提供多束准直光束到包含光聚合物的储器中，该光聚合物在所述准直光束的波长下进行聚合。合适的光聚合物的例子包括，但不限于，自由基聚合物，比如如氨基甲酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯以及阳离子聚合物如光固化的环氧树脂。该准直光束可通过使得光从光源通过具有多个图案化光栅的中间掩模来形成。这种图案化掩模可将所述多个光束导向光聚合物以使它们相交成类似于将要形成的集成的微桁架。

一旦暴露到光聚合物，准直光束就引发聚合，并由于在聚合过程中折射率的改变而导致自蔓延聚合物波导沿着所述多个光束的路径形成。这些自蔓延聚合物波导最终生长并与彼此相交以形成聚合物模板。聚合物模板的尺寸和形状(包括厚度和聚合物波导的间距)，可通过控制一个或多个参数来确定，所述参数比如掩模中多个光栅的尺寸、所述多个准直光束穿过掩模的角度、光聚合物在所述多个准直光束中的强度和暴露时间、以及使用的特定光聚合物等。在美国专利No.7,382,959中有关于制备该聚合物的过程更完整和详细的论述，它被转让给HRL实验室。

聚合物模板可随后被碳化——通过热解使得聚合物波导被热解成碳——以形成碳微结构14的集成的微桁架。一般地，高于600℃，并通常高于800℃的温度适于在惰性气氛中碳化大部分聚合物材料。许多碳的同素异形体(包括玻璃碳)可通过本领域技术人员已知的碳化进行生产。

但是，能够帮助提高该碳化步骤碳产率(由聚合物材料得到的质量％碳)的各种技术已被本领域技术人员所熟知。例如，在一个实施方案中，可以首先把聚合物模板浸泡在液态单体的储器中以使液态单体可以扩散进聚合物模板的聚合物波导中并使其膨胀。该液态单体可以是任何可扩散进聚合物波导中并聚合成高碳产率聚合物的单体。这种单体的例子是丙烯腈。少量自由基引发剂(热或紫外光触发的)也可包含在具有所述液态单体的储器中。接着，聚合物模板可以从液态单体储器中移除，并进行加热或暴露到紫外光(取决于所用的自由基引发剂)以聚合扩散到聚合物模板中的液态单体。聚合物模板然后可以在氧化环境中热稳定(200℃-400℃)并随后在惰性环境中进行碳化(高于600℃，通常高于800℃)以形成由集成的微桁架限定的碳微结构14。在美国申请No.11/870,379中有该过程更完整和详细的论述，它被转让给HRL实验室并名为Ordered Open-Cellular Carbon Microstructure and Method of Making the Same。

金属氢化物材料12可随后用各种方法嵌入到碳微结构14中以形成储氢材料10。

在一个实施方案中，如图4的简图所示，可氢化的金属或合金前驱体40可被熔融到碳微结构14中并随后被氢化。该嵌入程序可以涉及首先将可氢化金属或合金前驱体40以块或散装的形式置于容纳碳微结构14的高温舟42中。碳微结构14可以如已经所述的方式制备，如果需要，可进一步包括表面化合物。该可氢化的金属或合金前驱体40可以随后被熔融以使它流入并填充碳微结构14的开孔体积。使用在低于碳微结构14开始结构弱化或扭曲的温度熔融的可氢化金属或合金前驱体40可能是优选的。例如，在低于大约1600℃熔融的可氢化的金属或合金前驱体40可以是合适的。

接下来，可冷却该熔融的可氢化金属或合金。可以选择所用的冷却程序以获得碳微结构14和所述现在注入并且固化的可氢化的金属或合金前驱体40之间最大的互相作用。在这一点上，可氢化的金属或合金前驱体40可被氢化以形成金属氢化物材料12。例如，在一个实施方案中，该可氢化的金属或合金前驱体40可在惰性环境中在高压和相应的温度下暴露于氢气并随后淬火(氢气吸附和解吸的连续循环)。可氢化的金属或合金前驱体40的淬火逐步生产更多的金属氢化物化合物并最终形成具有合适的储氢能力的金属氢化物材料12。此外，该淬火过程能通过给碳微结构14施加的循环应力而在各个碳片段22中引发和扩展内部裂纹28。相似的开裂也可发生在所述本体固化的金属氢化物材料(bulksolidified metal hydride material)12中，它具有暴露新鲜碳表面以帮助储氢材料10达到最佳的导热和氢气扩散性质的有益效果。

通过图4的过程形成的储氢材料10现在可被并入到储氢罐中。储氢材料10可以它形成原样的状态(as-formed，即形成后没有任何处理的状态)使用，或者它可被机械粉碎成更小的块或片，所述块或片每个具有一部分所述原始形成的、具有嵌入量的金属氢化物材料12的碳微结构14。储氢材料10，不论是由一片还是多片形成，如果需要，都可进行抛光以进一步暴露碳微结构14的新鲜表面。

在另一实施方案中，如图5简图所示，金属氢化物材料前驱体40可以以粗糙的或细小的粉末被充入碳微结构14中。这样的嵌入程序可以涉及首先把可氢化的金属或合金前驱体40置于球磨机50中或其他合适的设备中以将可氢化的金属或合金前驱体40磨成预定细度的粉末。该粉末化的可氢化金属或合金前驱体40可以随后被充入料斗52中并在振动台54的帮助下过滤到碳微结构14中。此后，可采用额外的加压过程来增加碳微结构14和粉末化的金属或合金前驱体40之间的表面接触。碳微结构14，如在前述实施方案中那样，可以如已经所述的方式进行制备，并如果需要可进一步包含表面化合物。接下来，该粉末化的可氢化金属或合金前驱体40可通过之前所述的同样的淬火过程被氢化。该淬火过程再次形成了具有合适储氢能力的金属氢化物材料12以及在碳微结构14的各个碳片段22中形成了内部裂纹28。

通过与之前已知的试图提高本体导热率的储氢介质相比，已开发的储氢材料10的效能可以得以更清楚显示。

首先，如之前间接提到的，本体金属氢化物在氢气循环过程中一般具有在约1-2Wm^-1K^-1附近的低导热率。如此低的体积导热率会产生一些性能和实用性方面的问题。例如，所述金属氢化物材料对氢气完全的或接近完全的吸附可能会受阻。这是因为在放热的氢气吸附反应过程中所产生的热量可能不足够快速地移除以阻止本体金属氢化物材料温度升高和氢气抵消式的释放(offsettingrelease)。换言之，吸附氢气所产生的热量被困在本体金属氢化物材料中并最终导致刚被捕获的氢气的部分或全部被释放出来。和差的体积导热率相关的其他问题，包括导致长的充入/释放时间的慢的整体吸附和解吸动力学以及需要使用昂贵的和复杂的活化过程以尝试和提高那些动力学。

已经设计来试图改善本体金属氢化物材料的导热率的一些技术涉及混合其他高导热惰性金属添加剂——例如铝(237Wm^-1K^-1)以及铜(401Wm^-1K^-1)——至该金属氢化物材料中。但是，这些技术的缺陷是需要大量的惰性的非储氢性添加剂以获得明显的导热增益。例如，可能需要多达10-20wt％的惰性金属添加剂以提高本体金属氢化物材料的导热率至大致约2至35Wm^-1K^-1大小。惰性金属添加剂如此高的浓度，在提高导热率的同时，具有明显减少本体金属氢化物材料的总储氢能力和能量密度的负面影响。这些技术的另一缺陷是固态的惰性金属添加剂减少了金属氢化物材料的总孔隙率并进而限制了氢气的扩散。

另一方面，储氢材料10，如之前所述，可通过将金属氢化物材料12嵌入到碳微结构14中形成，该碳微结构可以具有多达95％的开孔体积和相应的约0.07-0.80g/cm³(接近100％玻璃碳并且无表面沉积物(一个或多个)30)的体积密度。如果铝作为表面沉积物(一个或多个)以使得碳微结构中铝的重量百分比占碳微结构14的总重量的约10％的量加入，这样的碳微结构14的体积密度可轻微地增加到约0.83g/cm³。考虑到由铝带来的相应的导热率的增加，这种密度的温和增长可被接受。

因此，在一个其中储氢材料10包含嵌入有LaNi₅(密度为7.17g/cm³)的由集成的微桁架限定的碳微结构14的实施例中，在储氢材料10中由于碳微结构14的存在所导致的LaNi₅的总重量和体积损失可分别低至约3.2％和10％。此外，碳片段22中的内部裂纹28可导致储氢材料10就像这些体积和重量百分比的损失实际上更低的那样运行。在碳微结构14上铝(或其他材料)表面沉积物(一个或多个)的存在与否在此并未特别相关，这是因为碳微结构14的总体积在这两种情况下并未受到明显影响。但是，当同样的金属氢化材料(LaNi₅)与铝以其更低的有效重量百分比范围(铝/金属氢化物混合物的10％)混合时，金属氢化物材料的估计重量和体积损失估计分别为约10％和22.8％。为其各自目的而减少碳微结构14的开孔体积(这减少了LaNi₅在储氢材料10中的体积百分比)以及增加铝添加剂的量(这对于和铝混合的金属氢化物材料而言也减少了LaNi₅的体积百分比)的效果列于下表1-2和图7中。

表1-集成的碳微桁架

LaNi5(vol.％)	90	80	70
				C(vol.％)	3.2	6.8	11.1
LaNi5(wt.％)	96.8	93.2	88.9

表2-铝添加剂

Al(wt.％)	10	15	20
				Al(vol.％)	22.8	31.9	39.9
LaNi5(vol.％)	77.2	68.1	60.1

由此可见，LaNi₅的重量和体积损失对于包含在由集成的微桁架限定的碳微结构14中嵌入的LaNi₅的储氢材料10而言少得多。储氢材料10可经历LaNi₅的大约3.2％至11.1％的重量密度损失和10％至30％的体积密度损失，而以产生导热率的至少可比较的增益的量加入铝添加剂导致LaNi₅的大约10％至20％的重量密度损失和22.8％至39.9％的体积密度损失。因此，碳微结构14能够帮助改善金属氢化物材料的体积导热率并同时使相关的能量密度损失最小化。

上面对本发明各种实施方案的描述在本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明的范围、应用或其用途。

Claims (10)

1.产品，包括：

包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由形成重复的、集成的单胞的多个碳片段来限定，以使该碳微结构具有约70％至约95％的开孔体积；和

嵌入到该碳微结构的所述开孔体积中的金属氢化物材料；

其中该碳微结构比该金属氢化物材料更导热。

2.如权利要求1所述的产品，其中该金属氢化物材料包括至少一种可氢化的金属或合金。

3.如权利要求1所述的产品，其中该金属氢化物材料包括至少一种通式为AB₅、AB、A₂B或AB₂的合金，其中A和B代表金属元素。

4.产品，包括：

包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由多个碳片段限定，所述多个碳片段在间隔开的且对准的节点处互相贯穿以形成具有重复的、集成的单胞的三维微桁架，所述碳微结构包括占所述碳微结构总重量的至少90重量％的玻璃碳，该三维微桁架的单胞包括在所述节点之一处互相贯穿以形成相对的四棱锥半体的四个碳片段，所述多个碳片段具有厚度且所述节点在所述微桁架的平面中彼此间隔开一定距离以为该碳微结构提供约70％至约95％的开孔体积，以及其中至少一个碳片段具有内部裂纹；和

嵌入到该碳微结构中的金属氢化物材料。

5.如权利要求4所述的产品，其中该碳微结构具有约0.07g/cm³至约0.60g/cm³的体积密度，其中所述碳片段的厚度是约1μm至约500μm，以及其中所述节点在所述微桁架的平面中彼此间隔开约10μm至约5mm的距离。

6.如权利要求4所述的产品，其中所述碳微结构进一步包括相对高导热材料的至少一个表面沉积物，以及其中该表面沉积物以占该碳微结构总重量的约0.1至约10重量％存在。

7.如权利要求6所述的产品，其中所述至少一个表面沉积物包括在至少一个碳片段上的所述相对高导热材料的多个小簇或者在至少一个碳片段上的所述相对高导热材料的薄连续涂层。

8.方法，包括：

提供包含开孔骨架的碳微结构，该开孔骨架至少部分由形成重复的、集成的单胞的多个碳片段来限定，以使该碳微结构具有约70％至约95％的开孔体积；和

将金属氢化物材料嵌入到该碳微结构的所述开孔体积中。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述嵌入该金属氢化物材料的步骤包括：将可氢化的金属或合金前驱体材料熔融至该碳微结构中；

冷却该可氢化的金属或合金前驱体材料；和

氢化该可氢化的金属或合金前驱体材料以将氢并入到该可氢化的金属或合金前驱体材料中并形成具有储氢能力的所述金属氢化物材料。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述嵌入该金属氢化物材料的步骤包括：

研磨可氢化的金属或合金前驱体材料至预定细度的粉末；

过滤该可氢化的金属或合金前驱体材料的粉末至该碳微结构中；和

氢化该可氢化的金属或合金前驱体材料以将氢并入到该可氢化的金属或合金前驱体材料中并形成具有储氢能力的所述金属氢化物材料。

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