CN105170972A - 一种Mg-Ti储氢合金粉及其制备方法 - Google Patents

一种Mg-Ti储氢合金粉及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Mg-Ti储氢合金粉及其制备方法，属于新能源材料制备开发技术领域。本发明所设计的合金以质量百分比计包括下述组分：Mg-Ti合金70-92％、FeCl35-16％、碳纳米管1-15％；所述Mg-Ti合金中，Mg含量为65at.％-85at.％，其余为Ti。本发明将按设计组分配取的镁源、钛源加入盛满有机溶剂的球磨罐中，进行球磨后，干燥，得到Mg-Ti合金粉；然后将按设计组分配取的FeCl3粉、碳纳米管与Mg-Ti合金粉混合均匀，得到所述Mg-Ti储氢合金粉；所述有机溶剂选自醇类、烃类中的一种。本发明制备工艺简单，所得产品性能优越，便于产业化生产和应用。

Description

一种Mg-Ti储氢合金粉及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Mg-Ti储氢合金粉及其制备方法，属于新能源材料制备开发技术领域。
背景技术
同化石能源相比，氢能有来源广、清洁、发热值高、燃烧性能好等优点。因此，自20世纪70年代以来，氢能转换以及氢经济成为世界各国研究者的关注热点。在氢能源的开发应用中，氢的制备、储存和利用是三个主要的研究方向。目前看来氢气的存储运输环节是推广氢能源的关键。
解决氢气的储存问题，实际上是找到一种可靠的、高效的存储氢气材料。大多数的金属和氢气发生反应后，会生成相应的金属氢化物。人们主要通过吸放氢的可逆反应过程，来实现了氢气的有效存储。目前，人们以开发出以下几种合金体系：稀土系储氢合金、锆系储氢合金、钒系储氢合金、钛系储氢合金、镁系储氢合金等等。钛系储氢合金有储氢容量高、循环寿命长等优点，但缺点在于初期活化困难、高倍率放电性能较差以及合金的原材料(如Zr，Mn，Cr等)价格偏高。相比之下，镁系储氢材料的单位储氢能力高、高倍率放电性能优异、价格相对低廉。但Mg在碱液中易受氧化腐蚀，可能导致合金电极容量的迅速衰减，循环寿命与实用化的要求尚有很大提高空间，需要进一步提高循环稳定性。同时，Mg的力学性能较差，硬度不高，在实际应用过程中受到限制。
为了改善镁基材料的储氢性能，人们做了大量的研究工作，其出发点主要基于以下三方面：(1)合金化。镁与其他元素合金化后，可以提高镁元素的热力学稳定性，延长其使用寿命；(2)纳米化。实验和理论模拟研究均表明，减小材料块体颗粒的尺寸直至纳米级别，实现材料尺度和结构的纳米化，能明显提高氢化速率，同时提高储氢量。(3)催化剂。在储氢合金中添加少量催化剂，可以显著改善其吸放氢条件。
在镁基储氢材料的合金制备方面，目前最常用的是在真空或者惰性气体环境中采用感应熔炼。这种方法虽然能有效避免镁的氧化，但不能克服镁蒸发的问题。发明专利CN1030114384在制备镁基储氢材料的合金制备时，额外添加8-10wt.％的镁以补偿挥发的损失。然而，由于实际挥发的过程受温度和环境影响较大，镁的挥发含量很难控制，进而影响最终产品的成分。同时，大量挥发的镁蒸汽也会对生产设备造成损害和污染。专利CN101709396A采用球磨的方法制备Mg-Ti储氢合金，球磨介质为氩气。但由于氩气不能起到润湿作用，为了保证球磨的顺利进行，当该方法需要多次开罐刮粉，这导致操作极为不便，进而不利于工业化生产，同时该技术罐内的气压远远大于常压，这导致对设备的要求较高而且还不安全。综上所述，寻找一种储氢能力强、成本低、安全系数高的镁基储氢合金及其制备方法成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有镁基储氢合金存在的动力学性能差、循环性不稳定、安全系数低、成本高、制备难度大等不足之处，提供一种Mg-Ti储氢合金粉及其制备方法。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉，以质量百分比计包括下述组分：
Mg-Ti合金70-92％、优选为75-90％，进一步优选为80-90％；
FeCl35-16％、优选为8-15％、进一步优选为8-12％；
碳纳米管1-15％、优选为2-10％、进一步优选为2-8％；
所述Mg-Ti合金中，Mg含量为65at.％-85at.％、优选为71at.％-82at.％、进一步优选为75at.％-80at.％，其余为Ti。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，包括下述步骤：
将按设计组分配取的镁源、钛源加入盛满有机溶剂的球磨罐中，进行球磨后，干燥，得到Mg-Ti合金粉；然后将按设计组分配取的FeCl3粉、碳纳米管与Mg-Ti合金粉混合均匀，得到所述Mg-Ti储氢合金粉；所述有机溶剂选自醇类、烃类中的一种。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述镁源为镁粉。所述镁粉的粒度为100-230nm、优选为150-210nm、进一步优选为160-200nm。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述钛源为钛粉。所述钛粉的粒度为45-150nm、优选为50-100nm、进一步优选为60-90nm。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述有机溶剂选自无水乙醇、烷烃中的至少一种。优选为无水乙醇、丁烷、戊烷中的至少一种，进一步优选为，按质量比，无水乙醇：丁烷：戊烷＝100:5-10:1-2。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述Mg-Ti合金粉的粒度为100-200nm；所述Mg-Ti合金粉中，Mg以纳米级颗粒的形式均匀分布在合金中。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述Mg-Ti合金粉的比表面积为1.5-11.4m2/g。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，球磨所用磨球的材质选自ZrO2、Al2O3、Si3N4中的至少一种。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，球磨的条件为：球料质量比15～25:1、球磨转速800-1000r/min、球磨时间30-48h。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，球磨完成，在保护气氛下取粉，将所取粉末置于真空干燥箱，在真空条件下以30-50℃干燥6-10h，得到Mg-Ti合金粉。所述保护气氛优选为氩气气氛。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述FeCl3粉的粒度为0.8-1.5μm。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述碳纳米管的直径为10-50nm。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管。
本发明一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，所述碳纳米管为掺杂有氮、硼、铂、稀土元素中任意一种或几种元素的碳纳米管，优选为掺杂有铌元素的的碳纳米管。
本发明中所述碳纳米管为掺杂有氮、硼、铂、稀土元素中任意一种或几种元素的碳纳米管，其制备工艺为采用现有普通碳纳米管掺杂工艺制备。
原理和优势
本发明由于组分设计合理，使得所制备的Mg-Ti储氢合金粉具有良好储氢性能，同时，在适量的各组分的协同作用下，本发明所设计的Mg-Ti储氢合金粉不仅具备了良好储氢性能、而且还大大提高了其安全系数。
本发明由于采用了特殊的制备工艺，尤其是以纯镁粉(其粒度为100-230nm)、纯钛粉(其粒度为45-100nm)、在充满有机溶剂的球磨罐中以设定的参数进行球磨时，在实现合金化的同时，还可以尽可能多的预留了储氢位点，同时当有机溶剂按无水乙醇：丁烷：戊烷＝100:5-10:1-2配置时，其所得产品的储氢能得到意想不到的提升。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1.在Mg-Ti合金粉制备方面，与熔炼法相比，采用球磨工艺，有效的解决了镁的蒸发和氧化问题。纯钛的熔点为1670℃，纯镁的沸点为1090℃，如果按照熔炼法制备Mg-Ti合金，几乎不可能保证样品的成分组成和均匀性。而在球磨过程中，仅在室温环境，就能通过磨球对元素粉末的冲击、碾磨、冷焊，在相对较低的温度下实现元素的合金化而不引起元素的挥发。
2.降低球磨过程中的污染。在球磨过程中选择稳定性好的磨球，所选磨球包括Al2O3,ZrO2,Si3N4，其化学性质不活泼，难溶于水、盐酸和稀硫酸，与不锈钢球相比，其化学性能更为稳定，能够避免球磨过程中对粉末造成的污染。
3.选用纯液体作为过程控制剂。Mg和Ti元素的球磨一直是难度较大的制备过程。中国专利“一种Mg-Ti合金粉末的制备方法”(申请公布号CN103551583A)采用0.2MPa～0.5MPa的氩气气氛球磨，在充气的过程中容易引入空气，氧化合金粉末。而本发明采用有机溶剂作为球磨介质，填充整个球磨罐，能够有效排除空气，且简便易行。同时，特别设计的有机溶剂可作为表面活性剂，通过羟基吸附在金属粉末表面，使得粉末具有流动性和粘性，通过丁烷、戊烷的配合，使得粉体不易团聚。这为得到纳米级别的Mg-Ti合金粉末提供了必要条件。
4.对Mg-Ti合金粉的组织优化方面，适当调整工艺，获得纳米级的合金组织。在球磨工艺控制上，本发明选择球料比15～25:1，球磨转速为800-1000r/min，球磨时间为30-48h。合适的球料比可以控制最终粉末的粒径。球料比过小，物料的缓冲作用增加，冲击磨碎效果减弱，粉末得不到细化和合金化；球料比过大，会增加磨球与球磨罐壁的无用功损失，不仅使功耗增加，产量降低，而且还会加剧球磨罐的磨损。本发明球磨时间过短或转速过小，粉末得不到充分破碎，组织无法细化，最终粒径较大；球磨时间过长或转速过大，细化的粉末又会在高能磨球冲击下重新团聚，同时增加与球磨罐壁发生反应的风险。
5.提高储氢效率和容量。由于Mg-Ti粉以纳米级形式存在，实现材料尺度和结构的纳米化，粉末的比表面积增大、晶界/相界等利于H原子扩散的通道增加，有效的提高了吸放氢过程动力学。同时，本发明所采用的FeCl3和碳纳米管除了能起到催化剂的作用外，还能进一步提升材料的储氢能力。通过主要作为热力学催化剂的FeCl3为与主要作为动力学优化剂的碳纳米管的协同作用取得了意想不到的储氢效果。
附图说明
图1为实施例1中球磨后Mg55Ti45合金粉末的SEM图片。
图2为实施例1中球磨后Mg55Ti45合金粉末的TEM图片。
图3为Mg55Ti45储氢合金活化性能曲线。
从图1中可以看出球磨后所得Mg55Ti45合金粉末的形貌。大部分合金粉末的尺寸在100-200nm。图中大尺寸的颗粒是由于纳米级合金粉末团聚所造成的；这种粉末经超声分散后，极易得到纳米粉末。
从图1中可以看出球磨后所得Mg55Ti45合金粉末的内部结构：较亮区域和较暗区域交替存在，通过能谱分析可知，较亮区域为Ti，较暗区域为Mg。Mg颗粒以10-20nm尺寸的分布在合金中，形成纳米结构。
从图3中可以看出，合金的活化性能良好，3次充放电循环即达到最大放电容量365.6mAh/g。。
具体实施方式：
实施例1
纯镁粉其粒度为100-210nm、纯钛粉粒度为50-100nm；
FeCl3粉的粒度为0.8-1.5μm。
多壁碳纳米管的直径为10-50nm。
粉末混合：按照质量比纯镁粉：纯钛粉＝55:45(换算成原子个数比为：71.3:28.7)的比例称取元素粉末并放入球磨罐中，向球磨罐注入酒精，并确保酒精填充满整个球磨罐，没有空气残留。以球料比20:1添加ZrO2磨球，将球磨工艺设置为：球磨转速800r/min，球磨时间为40h。球磨完成后，待球磨罐冷却，在氩气气氛保护的手套箱中取粉，将得到的Mg-Ti合金粉(粉末的中位径约为146nm)，放入真空干燥箱，抽真空后在50℃下干燥8h。合金粉末的TEM显微结构如图1所示。
在氩气气氛保护下，将Mg-Ti合金粉与FeCl3粉和碳纳米管按质量百分数计，Mg-Ti合金粉80％、FeCl3粉8％、碳纳米管12％，进行机械混合，得到最终储氢合金粉。活化性能测试表明合金的储氢性能优异，3次充放电循环即达到最大放电容量365.6mAh/g，其活化曲线如图2所示。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率93.5％。
实施例2
纯镁粉其粒度为100-150nm、纯钛粉粒度为60-90nm；
FeCl3粉的粒度为0.8-1.0μm。
多壁碳纳米管的直径为10-15nm。
有机溶剂，按质量比计，无水乙醇：丁烷：戊烷＝100:5:1
粉末混合：按质量比纯镁粉：钛粉＝55:45(换算成原子个数比为：71.3:28.7)的比例称取元素粉末并放入球磨罐中，向球磨罐注入有机溶剂，并确保有机溶剂填充满整个球磨罐，没有空气残留。以球料比20:1添加ZrO2磨球，将球磨工艺设置为：球磨转速800r/min，球磨时间为40h。球磨完成后，待球磨罐冷却，在氩气气氛保护的手套箱中取粉，将得到的Mg-Ti合金粉(粉末的中位径约为98nm)，放入真空干燥箱，抽真空后在50℃下干燥8h。
在氩气气氛保护下，将Mg-Ti合金粉与FeCl3粉和碳纳米管按质量百分数计，Mg-Ti合金粉80％、FeCl3粉8％、碳纳米管12％，进行机械混合，得到最终储氢合金粉。活化性能测试表明合金的储氢性能优异，2次充放电循环即达到最大放电容量371.45mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率96％。
实施例3
纯镁粉其粒度为160-200nm、纯钛粉粒度为60-80nm；
FeCl3粉的粒度为1.0-1.5μm。
多壁碳纳米管的直径为25-30nm。且多壁碳纳米管掺有氮元素，氮元素的掺入量为3.5at％。
有机溶剂，按质量比计无水乙醇：丁烷：戊烷＝100:10:2.
粉末混合：按照质量比纯镁粉：钛粉＝70:30(折算原子比82:18)的比例称取元素粉末并放入球磨罐中，向球磨罐注入酒精，并确保酒精填充满整个球磨罐，没有空气残留。以球料比15:1添加ZrO2磨球，将球磨工艺设置为：球磨转速800r/min，球磨时间为30h。球磨完成后，待球磨罐冷却，在氩气气氛保护的手套箱中取粉，将得到的Mg-Ti合金粉，放入真空干燥箱，抽真空后在50℃下干燥8h(干燥后，粉末的中位径约为127nm)。
在氩气气氛保护下，将Mg-Ti合金粉：FeCl3：碳纳米管以85:10:5(质量比)的比例进行机械混合，得到最终储氢合金粉。合金的最大放电容量为360.6mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率94.3％。
实施例4
制备Mg70Ti30储氢合金粉的方法基本同实施例3，不同之处在于：球料比质量比25:1球磨合金粉的转速为900r/min，球磨时间为35h。合金的最大放电容量为350.6mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率95.2％。
实施例5
制备Mg70Ti30储氢合金粉的方法基本同实施例2，不同之处在于，Mg-Ti合金粉：FeCl3：碳纳米管以89:9:2(质量比)的比例进行机械混合。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率92.7％。
对比例1
将实施例1中的球磨介质改为纯氩气，采用粉料1％的正庚烷作为润湿剂，其余步骤以及参数同实施例1。
经检测，所制备合金的最大放电容量为71.4mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率42.7％。
相比于实施例1，本对比实施例中换用了氩气作为球磨介质。由于球磨在氩气气氛中进行，没有完全在有机溶剂中进行球磨，Ti粉和Mg粉的流动性较差，粘性高，因而在球磨过程中发生团聚现象，同时由于磨球的撞击、冷焊作用，在球磨过程结束后，大量团粉末聚集成块，黏着在球磨罐内壁。整个球磨过程出粉率仅为10％。而且所得粉末含氧较高，Mg元素和Ti元素并未形成纳米级的混合，Mg颗粒以几百微米左右的颗粒团聚在Ti基体中。这些都影响了最终合金粉的储氢性能。
对比例2
将实施例1中的Mg-Ti合金粉与FeCl3粉和碳纳米管按质量比54：20：26进行混合，该比例处于权利要求书保护范围之外。其余步骤以及参数同实施例1
经检测，所制备合金的最大放电容量为224.5mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率75.6％。
相比于实施例1，本对比实施例中Mg-Ti合金粉与FeCl3粉和碳纳米管的重量比为54:20:26，而实施例为80:8:12。由于本对比实施例的Mg-Ti含量低于70％，催化剂的含量超过30％。尽管FeCl3和碳纳米管组成的催化剂能够提供活性位点和扩散通道，从动力学和热力学两方面促进吸氢效果，但Mg-Ti含量的下降会导致有效储氢成分含量的下降，进而导致最大放电容量的下降。这一对比例也说明，催化剂的成分需控制在合理的比例内。过少不能充分发挥效果，过多则影响总体效果。
对比例3
球磨Mg-Ti的过程中球料比改为5:1。以水作为球磨介质，水填满整个球磨罐。其余步骤以及参数同实施例1
经检测，所制备合金的最大放电容量为74.5mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率22.6％。
相比于实施例1，本对比实施例中球料比为5:1，而实施例为20:1。由于本对比实施例的球料比过小，ZrO2磨球对物料的冲击磨碎效果减弱，金属粉末没有办法得到充分的细化和合金化，所得到的合金粉存在明显的偏聚现象。而水的存在导致所得粉末含氧较高，并失去有机溶剂对球磨过程中的润滑和促进效果，因而最终的粉末中，Mg以100-200μm大小的颗粒聚集在Ti基体中，且分布不均匀。由于组织结构不均匀，合金的储氢性能较差。
对比例4
不添加FeCl3粉和碳纳米管，球磨气氛为纯氩气，采用粉料1％的正庚烷作为润湿剂，球磨时间为12h，其他条件均和实施例1完全一致。球磨干燥后，所得粉体的最大放电容量为31.4mAh/g。300mA·g-1恒流充放电循环100周测得容量保持率22.7％。
相比于实施例1，本对比实施例没有添加催化剂，换用了氩气作为球磨介质，同时添加了1％的正庚烷作为润湿剂，同时球磨参数发生改变。
由于球磨过程没有有机溶剂的作用，Ti粉和Mg粉的流动性较差，粘性高，因而在球磨过程中发生团聚现象，同时由于磨球的撞击、冷焊作用，在球磨过程结束后，大量团粉末聚集成块，黏着在球磨罐内壁。同时，球磨时间过短，钛与镁不能形成充分的复合，没有形成纳米级的复合结构。缺少催化剂的作用，合金的最终储氢性能也受到抑制，储氢过程合金粉末缺乏有效结合位点与扩散通道。这些都影响了最终合金粉的储氢性能。

Claims (10)

1.一种Mg-Ti储氢合金粉，其特征在于：以质量百分比计包括下述组分：
Mg-Ti合金70-92％；
FeCl35-16％；
碳纳米管1-15％；
所述Mg-Ti合金中，Mg含量为65at.％-85at.％，其余为Ti。
2.根据权利要求1所述的一种Mg-Ti储氢合金粉，其特征在于：以质量百分比计包括下述组分：
Mg-Ti合金75-90％；
FeCl38-15％；
碳纳米管2-10％；
所述Mg-Ti合金中，Mg含量为71at.％-82at.％，其余为Ti。
3.根据权利要求2所述的一种Mg-Ti储氢合金粉，其特征在于：以质量百分比计包括下述组分：
Mg-Ti合金80-90％；
FeCl38-12％；
碳纳米管2-8％；
所述Mg-Ti合金中，Mg含量为75at.％-80at.％，其余为Ti。
4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述Mg-Ti储氢合金粉的方法；其特征在于包括下述步骤：
将按设计组分配取的镁源、钛源加入盛满有机溶剂的球磨罐中，进行球磨后，干燥，得到Mg-Ti合金粉；然后将按设计组分配取的FeCl3粉、碳纳米管与Mg-Ti合金粉混合均匀，得到所述Mg-Ti储氢合金粉；所述有机溶剂选自醇类、烃类中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，其特征在于：所述镁源为镁粉；所述镁粉的粒度为100-230nm。
6.根据权利要求4所述的一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，其特征在于：所述钛源为钛粉；所述钛粉的粒度为45-150nm。
7.根据权利要求4所述的一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂选自无水乙醇、丁烷、戊烷中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，其特征在于：所述Mg-Ti合金粉的粒度为100-200nm；所述Mg-Ti合金粉的比表面积为1.5-11.4m2/g；所述Mg-Ti合金粉中，Mg以纳米级颗粒的形式均匀分布在Ti基体中；所述FeCl3粉的粒度为0.8-1.5μm；所述碳纳米管的直径为10-50nm。
9.根据权利要求4所述的一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，其特征在于：球磨所用磨球的材质选自ZrO2、Al2O3、Si3N4中的至少一种。
10.根据权利要求4所述的一种Mg-Ti储氢合金粉的制备方法，其特征在于：球磨的条件为：球料质量比15～25:1、球磨转速800-1000r/min、球磨时间30-48h；
球磨完成，待球磨罐冷却至室温后，在保护气氛下取粉，将所取粉末置于真空干燥箱，在真空条件下，于30-50℃干燥6-10h，得到Mg-Ti合金粉。所述保护气氛优选为氩气气氛。
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