CN108149211A - 一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Mg‑TM超多层复合储氢薄膜及其制备方法。该Mg‑TM超多层复合储氢薄膜，为Mg与TM原子层交替沉积成膜的Mg‑TM复合薄膜，且Mg‑TM复合薄膜的外表面具有Pd封盖层；所述TM为过渡族金属元素Ti、Ni或Nb。本发明采用廉价的超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法制备Mg‑TM超多层复合储氢薄膜，制备工艺简单，成本低廉，可重复性好，制备得到具有Mg明显择优取向的高质量Mg‑TM超多层复合储氢薄膜，且制备的薄膜具有更低的吸/脱氢温度和更快的吸/脱氢速率，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下，500s吸氢量达到3.4wt％；在423K的温度下，600s脱氢量达到2.1wt％。
Description
技术领域
本发明属于金属功能薄膜材料技术领域，具体涉及一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜及其制备方法。
背景技术
能够在一定的温度和压强下可逆吸/放氢的材料称为储氢材料。化石能源属于不可再生能源，且由于化石能源带来严重的环境问题，亟需新型可再生清洁能源来取代化石能源。氢能作为新型的清洁能源，其能量密度高达142MJ/Kg，是汽油燃烧热量的3倍，且副产物只有水。氢气生产的相关技术已经相对成熟，而为了使氢能源得到实际利用，关键是储存。目前，相关研究报道的主要是固体储氢材料，如以LaNi5为代表的AB5型储氢合金，虽然室温下能够可逆吸/放氢，但是质量储氢密度低且生产成本高；以ZrV2为代表的AB2型储氢合金，虽然理论储氢量大，但是脱氢十分困难；以TiFe为代表的AB型储氢合金，虽然吸/放氢反应可以在较温和条件下进行，但是活化条件苛刻、活化周期长且理论储氢量不高；以Mg2Ni为代表的A2B型储氢合金，由于金属Mg具有高达7.6wt％的储氢容量，而加入过渡金属元素Ni，使Mg2Ni在保持较高储氢容量情况下表现出优良的动力学性能，但是在1bar的氢压下仍需要高达573K的反应温度。Mg-TM(TM＝Ti，Ni，Nb)超多层复合储氢薄膜结合了Mg的高储氢容量和TM对吸/放反应的催化作用得到了具有优良动力学性能的Mg基储氢材料，并通过特殊的Mg-TM结构大幅降低了其脱氢温度，其在氢气的储存与运输方面具有良好的应用前景。
Jung H等公开了一种Pd/Ti/Mg/Ti储氢复合多层膜及其制备方法，多层膜沉积在石英玻璃片上，为了实现Pd/Ti/Mg/Ti多层膜的结构，其溅射过程中需要频繁转换靶位，另外溅射完成后需要从石英玻璃片上刮取有效薄膜成分进行储氢性能测试(Jung H，Cho S，Lee W.Enhanced hydrogen storage properties of Pd/Ti/Mg/Ti multilayer filmsusing the catalytic effects of Pd.Appl Phys Lett 2015；106：193902.)。上述Pd/Ti/Mg/Ti储氢多层膜制备工艺复杂，且该多层膜在423K的温度和30bar的氢压下最快也需要23min才能完成吸氢，吸氢速率不快，而且没有脱氢动力学性能的测试。Huang WC等公开了一种采用磁控共溅射方法制备的Mg/Nb储氢复合薄膜，该工艺过程可以实现Mg和Nb的同时沉积，工艺简便，但共溅射的工艺方法对磁控溅射设备要求较高，采用的是英国进口的Mantis磁控溅射系统，设备单价达213万元(Huang WC，Yuan J，Zhang JG，Liu JW，Wang H，Ouyang LZ，et al.Improving dehydrogenation properties of Mg/Nb composite filmsvia tuning Nb distributions.Rare Met 2017；36(7)：574-580.)。所以，上述Mg/Nb储氢复合薄膜制备成本很高，而且在473K的温度和3MPa的氢压下需要8min才能完成吸氢，吸氢速率不快；而在493K的温度下需要100min以上才能完成脱氢，脱氢温度高。
因此，采用工艺更简单高效、成本低廉的方法，制备更低温度吸/脱氢温度和更快的吸/脱氢速率的储氢复合膜材料显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术储氢复合薄膜制备工艺复杂、制备成本高以及制备的储氢复合薄膜吸/放氢速率慢、脱氢温度高的不足，提供了一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜的制备方法。该制备方法采用廉价的超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法，通过控制基底旋转速率，自动交替溅射沉积制备Mg-TM超多层复合储氢薄膜，制备工艺简单，且制备成本降低。
本发明的目的还在于提供由上述方法制备的一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜。该Mg-TM超多层复合储氢薄膜吸氢、脱氢效率高，且在低温423K的温度下，600s脱氢量达到2.1wt％。
一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜，为Mg与TM原子层交替成膜的Mg-TM复合薄膜，且Mg-TM复合薄膜的外表面具有Pd封盖层；所述TM为Ti、Ni或Nb。
进一步地，所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜中，单层的Mg由5～8个原子层构成，厚度为1～2nm；单层的TM由1～3个原子层构成，厚度为0.2～0.7nm；Pd封盖层的厚度为10～30nm；薄膜的总厚度为1000～3000nm。
进一步地，所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜在423K的温度以及1.15MPa的氢压下，500s吸氢量达到3.4wt％。
进一步地，所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜在423K的温度下，600s脱氢量达到2.1wt％。
制备上述任一项所述的一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜的方法，采用超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法制备，具体包括如下步骤：
(1)将基片进行常规清洗和活化处理后，固定在超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg和TM靶材对齐；
(2)利用机械泵或分子泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至5.0×10-4～1.0×10-3Pa，通入氩气并配合流量控制器达到0.5～1.0Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后，设定Mg和TM靶材的溅射功率以及基底旋转速率，开始交替溅射Mg和TM成膜；溅射完成后，在膜的外表面溅射沉积Pd封盖层，得到所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜。
进一步地，步骤(1)中，所述基片为单面抛光的单晶硅片、石英玻璃片或铝箔。
进一步地，步骤(2)中，所述氩气的纯度为99.99％。
进一步地，步骤(3)中，设定Mg和TM靶材的溅射功率分别为DC50～100W和RF100～200W。
进一步地，步骤(3)中，设定基底旋转速率为0.4～0.8r/s，通过控制基底旋转速率，使薄膜溅射停留时间不会过长，易于控制，从而使制备的薄膜的厚度均匀，且降低制备成本。
进一步地，步骤(3)中，交替溅射Mg和TM成膜的总用时为70～170min。
进一步地，步骤(3)中，溅射沉积Pd封盖层的功率为DC30～60W。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的Mg-TM超多层复合薄膜结合了Mg的高储氢容量和TM对吸/脱氢反应的催化作用，为具有优良动力学性能的Mg基储氢材料，且Mg与TM原子层交替成膜的Mg-TM复合薄膜结构大幅降低了复合薄膜的脱氢温度；
(2)本发明制备工艺简单，成本低廉，可重复性好，通过超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法，控制基底旋转速率，便捷地制备得到具有Mg明显择优取向的高质量Mg-TM超多层复合储氢薄膜，且制备的薄膜具有更低的吸/脱氢温度和更快的吸/脱氢速率，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下，500s吸氢量达到3.4wt％；在423K的温度下，600s脱氢量达到2.1wt％。
附图说明
图1a为实施例1制备的Mg-Ni超多层复合薄膜在423K以及1.15MPa下的吸氢动力学曲线图；
图1b为实施例1制备的Mg-Ni超多层复合薄膜在423K温度下的脱氢动力学曲线图；
图2为实施例2制备的Mg-Ti超多层复合薄膜的截面TEM图；
图3a为实施例2制备的Mg-Ti超多层复合薄膜在423K以及1.15MPa下的吸氢动力学曲线图；
图3b为实施例2制备的Mg-Ti超多层复合薄膜在423K温度下的脱氢动力学曲线图；
图4a为实施例3制备的Mg-Ti超多层复合薄膜在423K以及1.15MPa下的吸氢动力学曲线图；
图4b为实施例3制备的Mg-Ti超多层复合薄膜在423K温度下的脱氢动力学曲线图；
图5为实施例4制备的Mg-Ti超多层复合薄膜的XRD图；
图6a为实施例4制备的Mg-Ti超多层复合薄膜在423K以及1.15MPa下的吸氢动力学曲线图；
图6b为实施例4制备的Mg-Ti超多层复合薄膜在423K温度下的脱氢动力学曲线图；
图7a为实施例5制备的Mg-Nb超多层复合薄膜在423K以及1.15MPa下的吸氢动力学曲线图；
图7b为实施例5制备的Mg-Nb超多层复合薄膜在423K温度下的脱氢动力学曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的具体实施方式及保护范围不限于此。
具体实施例中，采用超高真空磁控溅射系统(国产JGP560-B6型)的半共溅射工艺方法制备Mg-TM超多层复合储氢薄膜。
采用原材料中，采用的Mg、TM和Pd靶材均为圆柱靶材，直径为60mm，厚度为4.5mm，纯度为99.99％；采用的基片为单面抛光的单晶硅片。
具体实施例中，采用X射线衍射仪(XRD)对制备的复合薄膜进行物相结构进行分析；采用透射电子显微镜(TEM)观察制备的复合薄膜的截面形貌并测量相关膜层厚度；采用气体反应控制器对制备的复合薄膜的储氢性能进行测试。
实施例1
Mg-Ni超多层复合储氢薄膜的制备，具体包括如下步骤：
(1)先用去离子水对基片进行清洗，再用无水乙醇清洗，清洗完成后置于国产DHG-9055A型鼓风干燥箱内干燥；基片预处理完成后，将基片固定在国产JGP560-B6型超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg和Ni靶材对齐；
(2)利用国产RVP-4型旋片式真空泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至8.0×10-4Pa，通入纯度为99.99％的氩气并配合流量控制器达到0.8Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后开始溅射，设定Mg和Ni靶材的功率分别为DC60W和RF100W，基底旋转速率为0.4r/s，总沉积时间为112.5min；为防止基底旋转装置过热，分9次沉积，每次沉积时间12.5min，每次间隔时间2min，开始交替溅射Mg和Ni成膜；
(4)Mg-Ni溅射完成后，得到Mg-Ni复合薄膜，最后在薄膜表面沉积一层Pd封盖层，Pd功率为DC50W，溅射时间15s，得到Mg-Ni超多层复合储氢薄膜。
得到的Mg-Ni超多层复合储氢薄膜中，单层Mg薄膜由6个原子层构成，厚度为1.29nm；单层Ni薄膜由2个原子层构成，厚度为0.22nm；Pd封盖层的厚度为20nm；薄膜的总厚度为1500nm。
采用美国Advanced Materials Corporation公司生产的Sieverts型气体反应控制器对该复合薄膜进行吸氢动力学性能测试，结果如图1a所示，复合薄膜具有优良的吸氢动力学性能，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下500s吸氢量达到2.9wt％；吸氢饱和之后再对该复合薄膜进行脱氢动力学性能测试，结果如图1b所示，复合薄膜的热力学性能得到优化且具有优良的脱氢动力学性能，在423K的温度下600s脱氢量达到1.6wt％。
实施例2
Mg-Ti超多层复合储氢薄膜的制备，具体包括如下步骤：
(1)先用去离子水对基片进行清洗，再用无水乙醇清洗，清洗完成后置于国产DHG-9055A型鼓风干燥箱内干燥；基片预处理完成后，将基片固定在国产JGP560-B6型超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg和Ti靶材对齐；
(2)利用国产FD-IIB型分子泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至8.0×10-4pa，通入纯度为99.99％的氩气并配合流量控制器达到0.8Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后开始溅射，设定Mg和Ti靶材的功率分别为DC60W和RF100W，基底旋转速率为0.5r/s，总沉积时间为112.5min，为防止基底旋转装置过热，分9次沉积，每次沉积时间12.5min，每次间隔时间2min，开始交替溅射Mg和Ti成膜；
(4)Mg-Ti溅射完成后，得到Mg-Ti复合薄膜，最后在薄膜表面沉积一层Pd封盖层，Pd功率为DC50W，溅射时间15s，得到Mg-Ti超多层复合储氢薄膜。
得到的Mg-Ti超多层复合储氢薄膜中，单层Mg薄膜由6个原子层构成，厚度为1.28nm；单层Ti薄膜由2个原子层构成，厚度为0.24nm；Pd封盖层的厚度为20nm；薄膜的总厚度为1600nm。
采用透射电子显微镜(JEM-2100)观察该复合薄膜的截面形貌，如图2所示，Mg、Ti原子层交替沉积形成Mg-Ti复合薄膜结构；
采用美国Advanced Materials Corporation公司生产的Sieverts型气体反应控制器对该复合薄膜进行吸氢动力学性能测试，结果如图3a所示，复合薄膜具有优良的吸氢动力学性能，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下500s吸氢量达到2.7wt％；吸氢饱和之后再对该复合薄膜进行脱氢动力学性能测试，结果如图3b所示，复合薄膜的热力学性能得到优化且具有优良的脱氢动力学性能，在423K的温度下600s脱氢量达到1.5wt％。
实施例3
Mg-Ti超多层复合储氢薄膜的制备，具体包括如下步骤：
(1)先用去离子水对基片进行清洗，再用无水乙醇清洗，清洗完成后置于国产DHG-9055A型鼓风干燥箱内干燥；基片预处理完成后，将基片固定在国产JGP560-B6型超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg与Ti靶材对齐；
(2)利用国产RVP-4型旋片式真空泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至8.0×10-4pa，通入纯度为99.99％的氩气并配合流量控制器达到0.8Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后开始溅射，设定Mg和Ti靶材的功率分别为DC80W和RF100W，基底旋转速率为0.6r/s，总沉积时间为112.5min，为防止基底旋转装置过热，分9次沉积，每次沉积时间12.5min，每次间隔时间2min，开始交替溅射Mg和Ti成膜；
(4)Mg-Ti溅射完成后，得到Mg-Ti复合薄膜，最后在薄膜表面沉积一层Pd封盖层，Pd功率为DC50W，溅射时间15s，得到Mg-Ti超多层复合储氢薄膜。
得到的Mg-Ti超多层复合储氢薄膜中，单层Mg薄膜由7个原子层构成，厚度为1.52nm；单层Ti薄膜由2个原子层构成，厚度为0.24nm；Pd封盖层的厚度为20nm；薄膜的总厚度为1800nm。
采用美国Advanced Materials Corporation公司生产的Sieverts型气体反应控制器对该复合薄膜进行吸氢动力学性能测试，结果如图4a所示，复合薄膜具有优良的吸氢动力学性能，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下500s吸氢量达到3.4wt％；吸氢饱和之后再对该复合薄膜进行脱氢动力学性能测试，结果如图4b所示，复合薄膜的热力学性能得到优化且具有优良的脱氢动力学性能，在423K的温度下600s脱氢量达到1.5wt％。
实施例4
Mg-Ti超多层复合储氢薄膜的制备，具体包括如下步骤：
(1)先用去离子水对基片进行清洗，再用无水乙醇清洗，清洗完成后置于国产DHG-9055A型鼓风干燥箱内干燥；基片预处理完成后，将基片固定在国产JGP560-B6型超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg与Ti靶材对齐；
(2)利用国产FD-IIB型分子泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至8.0×10-4Pa，通入纯度为99.99％的氩气并配合流量控制器达到0.8Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后开始溅射，设定Mg和Ti靶材的功率分别为DC100W和RF100W，基底旋转速率为0.7r/s，总沉积时间为112.5min，为防止基底旋转装置过热，分9次沉积，每次沉积时间12.5min，每次间隔时间2min，开始交替溅射Mg和Ti成膜；
(4)Mg-Ti溅射完成后，得到Mg-Ti复合薄膜，最后在薄膜表面沉积一层Pd封盖层，Pd功率为DC50W，溅射时间15s，得到Mg-Ti超多层复合储氢薄膜。
得到的Mg-Ti超多层复合储氢薄膜中，单层Mg薄膜由8个原子层构成，厚度为1.75nm；单层Ti薄膜由2个原子层构成，厚度为0.24nm；Pd封盖层的厚度为10nm；薄膜的总厚度为2100nm。
采用X射线衍射仪(PANalytical Empyrean)对该复合薄膜的物相结构进行分析，如图5所示，利用超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法制备的Mg-Ti超多层复合储氢薄膜具有Mg(002)的择优取向。
采用美国Advanced Materials Corporation公司生产的Sieverts型气体反应控制器对该复合薄膜进行吸氢动力学性能测试，结果如图6a所示，复合薄膜具有优良的吸氢动力学性能，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下70min内吸氢量达到2.8wt％；吸氢饱和之后再对该复合薄膜进行脱氢动力学性能测试，结果如图6b所示，复合薄膜的热力学性能得到优化且具有优良的脱氢动力学性能，在423K的温度下600s脱氢量达到2.1wt％。
实施例5
Mg-Nb超多层复合储氢薄膜的制备，具体包括如下步骤：
(1)先用去离子水对基片进行清洗，再用无水乙醇清洗，清洗完成后置于国产DHG-9055A型鼓风干燥箱内干燥；基片预处理完成后，将基片固定在国产JGP560-B6型超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg与Nb靶材对齐；
(2)利用国产RVP-4型旋片式真空泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至8.0×10-4pa，通入纯度为99.99％的氩气并配合流量控制器达到0.8Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后开始溅射，设定Mg和Nb靶材的功率分别为DC100W和RF100W，基底旋转速率为0.8r/s，总沉积时间为112.5min，为防止基底旋转装置过热，分9次沉积，每次沉积时间12.5min，每次间隔时间2min，开始交替溅射Mg和Nb成膜；
(4)Mg-Nb溅射完成后，得到Mg-Nb复合薄膜，最后在薄膜表面沉积一层Pd封盖层，Pd功率为DC50W，溅射时间15s，得到Mg-Nb超多层复合储氢薄膜。
得到的Mg-Nb超多层复合储氢薄膜中，单层Mg薄膜由8个原子层构成，厚度为1.76nm；单层Nb薄膜由2个原子层构成，厚度为0.31nm；Pd封盖层的厚度为25nm；薄膜的总厚度为2200nm。
采用美国Advanced Materials Corporation公司生产的Sieverts型气体反应控制器在423K和1.15Mpa的氢气压力下对该复合薄膜进行吸氢动力学性能测试，结果如图7a所示，复合薄膜具有优良的吸氢动力学性能，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下500s吸氢量达到2.4wt％；吸氢饱和之后再对该复合薄膜进行脱氢动力学性能测试，结果如图7b所示，复合薄膜的热力学性能得到优化且具有优良的脱氢动力学性能，在423K的温度下600s脱氢量达到1.4wt％。
实施例1～5制备Mg-TM超多层复合储氢薄膜的技术方案如表1所示。
表1实施例1～5半共溅射沉积复合薄膜工艺方案
实施例1～5对于不同的TM靶材通过改变Mg靶溅射功率、TM靶功率以及基底旋转速率，制备得到Mg-TM超多层复合储氢薄膜，且制备的薄膜具有更低的吸/脱氢温度和更快的吸/脱氢速率。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质与原理下所作的任何改变、替换、组合、简化、修饰等，均应为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜，其特征在于，为Mg与TM原子层交替沉积的Mg-TM复合薄膜，且Mg-TM复合薄膜的外表面具有Pd封盖层；所述TM为Ti、Ni或Nb；
复合储氢薄膜中，单层的Mg薄膜由5～8个原子层构成，厚度为1～2nm；单层的TM薄膜由1～3个原子层构成，厚度为0.2～0.7nm；Pd封盖层的厚度为10～30nm；薄膜的总厚度为1000～3000nm。
2.根据权利要求1所述的一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜，其特征在于，所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜在423K的温度以及1.15MPa的氢压下，500s吸氢量达到3.4wt％；所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜在423K的温度下，600s脱氢量达到2.1wt％。
3.制备权利要求1或2所述的一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜的方法，其特征在于，采用超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法制备，具体包括如下步骤：
(1)将基片进行常规清洗和活化处理后，固定在超高真空磁控溅射系统的基底上，调整基片与基底中心距离，使基片分别能与Mg和TM靶材对齐；
(2)利用机械泵或分子泵将超高真空磁控溅射系统溅射舱的真空度抽至5.0×10-4～1.0×10-3Pa，通入氩气并配合流量控制器达到0.5～1.0Pa的溅射工作气压；
(3)溅射工作气压稳定后，设定Mg和TM靶材的溅射功率以及基底旋转速率，开始交替溅射Mg和TM成膜；溅射完成后，在膜的外表面溅射沉积Pd封盖层，得到所述Mg-TM超多层复合储氢薄膜。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基片为单面抛光的单晶硅片、石英玻璃片或铝箔。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，设定Mg和TM靶材的溅射功率分别为DC50～100W和RF100～200W。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，设定基底旋转速率为0.4～0.8r/s。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，交替溅射Mg和TM成膜的总用时为70～170min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，溅射沉积Pd封盖层的功率为DC30～60W。
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Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN109666913A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-04-23 | 吉林大学 | 一种氮化镁薄膜及其制备方法 |
| CN110699649A (zh) * | 2019-11-10 | 2020-01-17 | 中电国基南方集团有限公司 | 一种用于电子封装的吸氢材料及其制备方法 |
| CN110777369A (zh) * | 2019-11-10 | 2020-02-11 | 中电国基南方集团有限公司 | 一种主动式封装吸氢材料及其制备方法 |
| CN110863174A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-03-06 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种无需激活的钛基吸氢材料及其制备方法 |
| CN114182205A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-15 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种纳米多层结构金属吸氢薄膜及其制备方法和应用 |
| CN114481029A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-05-13 | 华南理工大学 | 一种多晶复合超晶格结构薄膜的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101831619A (zh) * | 2010-05-28 | 2010-09-15 | 浙江大学 | 纳米晶Mg-Ni多层复合薄膜及其制备方法 |
| CN104342617A (zh) * | 2013-07-25 | 2015-02-11 | 北京大学 | 一种高容量储氢薄膜及其制备方法 |
-
2017
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101831619A (zh) * | 2010-05-28 | 2010-09-15 | 浙江大学 | 纳米晶Mg-Ni多层复合薄膜及其制备方法 |
| CN104342617A (zh) * | 2013-07-25 | 2015-02-11 | 北京大学 | 一种高容量储氢薄膜及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| W.C.HUANG ET AL.: "Improving dehydrogenation properties of Mg/Nb composite films via tuning Nb distributions", 《RARE METALS》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109666913A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-04-23 | 吉林大学 | 一种氮化镁薄膜及其制备方法 |
| CN110699649A (zh) * | 2019-11-10 | 2020-01-17 | 中电国基南方集团有限公司 | 一种用于电子封装的吸氢材料及其制备方法 |
| CN110777369A (zh) * | 2019-11-10 | 2020-02-11 | 中电国基南方集团有限公司 | 一种主动式封装吸氢材料及其制备方法 |
| CN110863174A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-03-06 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种无需激活的钛基吸氢材料及其制备方法 |
| CN114182205A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-15 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种纳米多层结构金属吸氢薄膜及其制备方法和应用 |
| CN114481029A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-05-13 | 华南理工大学 | 一种多晶复合超晶格结构薄膜的制备方法 |
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