CN108588455A - 一种改善Mg2Ni合金储氢性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,属于储氢材料技术领域。该方法具体通过固溶添加钛(Ti)来改善Mg2Ni合金的储氢性能。具体为采用球磨结合固相烧结法制备Mg2Ni1‑xTix(x=0.08~0.16),能够简单获得高纯度的Mg2(Ni,Ti)合金相。相比纯Mg2Ni合金而言,本发明涉及的Mg2Ni1‑xTix合金具有更低的初始放氢温度、更小的放氢表观活化能(Ea)、较好的可逆性以及较高的储氢容量(>3.3wt%)。本发明涉及的制备工艺简单、无毒、成本低,适合规模生产,所达到的性能改善效果在储氢技术领域具有广泛的借鉴意义。
Description
技术领域
本发明属于储氢技术领域,具体涉及一种Mg2Ni合金储氢材料的性能改善方法。
背景技术
氢能体系主要包括氢的制取、储存、应用三个环节,而氢的储存是关键,寻找合适的储氢方式和储氢材料是目前氢能源研究领域重要课题之一。而Mg基储氢材料因为具有储氢量高、资源丰富和价格低廉等优点而被认为是最有前景的储氢材料之一,但是MgH2因为由结合力较强的Mg-H离子键形成而具有高的热稳定性,从而导致其放氢温度较高,同时放氢动力学性能缓慢,限制了其实际应用。
然而,通过合金化可以显著改善Mg基材料的储氢性能。最具代表性的是通过合金化形成Mg2Ni合金,在2MPa,300℃条件下,Mg2Ni可与H2反应生成Mg2NiH4。但是,在与Ni合金化过程中,Mg易挥发导致很难制备Mg2Ni合金,而且Mg2Ni合金放氢温度高,反应动力学和热力学性能较差,Mg2Ni的放氢表观活化能(Ea=69kJ/mol)较高,而阻碍了其实际应用。
为了提高改善Mg2Ni合金的储氢性能,国内存在相关专利如下:
中国专利号:201510578254.6,专利名称:一种Mg2Ni0.9Co0.1H4基储氢材料的制备方法。该方法制备出Mg2Ni0.9Co0.1H4的储氢材料是通过Co元素部分替代Ni来提高Mg2Ni的储氢性能,但是Co元素具有毒性,在地壳中含量仅约有0.001%,不适合大规模制备,容易引起Co中毒和资源供应不足等问题。
中国专利号:201310076716.5,专利名称:一种改善Mg2Ni基储氢合金储氢性能的复合添加剂。该方法是将稀土氢化物和过渡金属化合物粉进行球磨混合然后再与Mg2Ni按一定比例进行球磨处理,但这种方法制备的Mg2Ni基储氢材料的放氢量仅为3%,而且稀土元素价格高昂,在实际大规模生产中必然会有成本高、效率低等问题。
综上所述,在提高改善Mg2Ni合金的储氢性能方面,探究寻找实现成本低、安全无毒、能显著改善储氢性能方法是很有必要的。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、制备方法简单而适合工业大规模应用、无毒无污染、显著改善Mg2Ni合金储氢性能的方法。
为了解决以上技术问题,本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种改善Mg2Ni合金储氢性能的方法是通过固溶添加钛(Ti)、采用球磨结合固相烧结法制备Mg2Ni1-xTix合金来改善Mg2Ni合金的储氢性能,具体包括如下步骤:
(1)球磨制备Ni(Ti)固溶体:将一定比例的粉末Ni和Ti放入球磨罐中球磨,然后烘干,得到Ni1-xTix固溶体粉末,其中:x=0.08~0.16;
(2)混合压片:将Mg粉与Ni(Ti)固溶体粉末按照摩尔比2:1放入球磨罐中球磨;之后用粉末压片机进行压片,得到薄片;
(3)固相烧结:将步骤(2)中得到的薄片放入烧结炉中,以5~10℃/min加热至600℃,保温20小时,再随炉冷却取出;将烧结产物表面氧化层去除,然后在研钵中研磨,最后用300目筛过筛得到Mg2Ni1-xTix合金作为储氢材料。
进一步的,所述x为0.12。
进一步的,所述步骤(1)中的球磨参数是:球料比为20:1,转速400rmp,30分钟正反转交替一次,球磨时间80小时。
进一步的,所述步骤(2)中的球磨参数是:球料比20:1,转速300rmp,球磨1h。
进一步的,所述步骤(1)中的烘干参数是:温度20~40℃,时间0.5~1.5h。
进一步的,所述步骤(2)压片时的压力范围为15~30MPa。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
1.本发明采用固溶烧结法烧结可得到高品质的Mg2Ni1-xTix(x=0.08~0.16)合金储氢材料,能够简单、高效地使Ti元素固溶而生成Mg2(Ni,Ti)固溶相,其中Mg2(Ti,Ni)相的纯度高达98wt%,避免了Ti元素与Mg发生合金化而使容量降低的情况。
2.该发明通过固溶Ti元素来部分替换Ni元素,显著提高了Mg2Ni合金的动力学性能。其中Mg2Ni0.88Ti0.12放氢活化能(Ea)最小,为59.42kJ/mol,远低于球磨纯Mg2Ni的放氢表观活化能(Ea)为69kJ/mol。
3.Mg2Ni1-xTix合金具有良好的可逆性能,即完成吸放氢循环后的产物与初始合金的相组成完全一致。
4.该发明原料无毒无污染而且资源丰富,制备工艺和设备简单易操作,制备过程中不产生任何有毒或者污染杂质,成本低,适合工业大规模制备,在氢能源领域上有很大的潜在应用前景。
附图说明
图1为本发明不同比例的Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)固体体粉末的XRD图。
图2为本发明的固溶烧结产物Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金储氢材料的XRD图。
图3为本发明的Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金吸氢产物和放氢后产物XRD图谱。
图4为本发明的固溶烧结产物Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金的升温放氢曲线。
图5为Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金放氢反应的Arrhenius方程拟合曲线,由此曲线可以得到活化能。
具体实施方式
以下结合具体实例详述本发明,但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
按Ni0.84Ti0.16的成分分别称取Ni粉13.00克和Ti粉2.00克,共15.00克。将称取的Ni粉和Ti粉放入不锈钢球磨罐中,按照球料比20:1称取300克不锈钢磨球放如球磨罐中,再倒入正庚烷淹没球和样品,密封好球磨罐。将球磨罐放在球磨机上,30min正反转交替一次,转速为400rmp,球磨时间80小时。球磨好样品之后,烘干得到Ni(Ti)固溶体粉末,如图1(a)所示为当x=0.16时Ni(Ti)固溶体XRD图。然后按照摩尔比2:1在氩气保护气的手套箱中称取6.91克镁粉和8.09克Ni(Ti)固溶体粉末,共15.00克粉末放入球磨罐中,然后按球料比20:1称取300克不锈钢磨球放入球磨罐中,转速300rmp,球磨1小时。然后将球磨好的样品粉末压成直径13mm,厚4mm的薄片,然后并装入可以密封的钢舟里,密封好钢舟并取出来放入真空烧结炉中加热至600℃,保温20小时,在随炉冷却取出。将烧结产物表面氧化层去除,然后在研钵中研磨并用300目筛子筛取得到Mg2Ni0.84Ti0.16合金粉末,图2(a)为固溶烧结的Mg2Ni0.84Ti0.16合金粉末的XRD。图3(a)为Mg2Ni0.84Ti0.16合金在350℃、3.5MPa条件下吸氢产物的XRD图谱,主要由LT-Mg2NiH4相和HT-Mg2NiH4相组成,Mg2Ni0.84Ti0.16合金吸氢后,43.5°处TiO峰无明显变化,说明其中的TiO相在氢化过程未发生反应,图3(d)为Mg2Ni0.84Ti0.16合金在350℃、0.001MPa条件下放氢产物的XRD图谱,可以看出完全放氢后与吸氢前烧结的合金相组成一致,具有良好的可逆性能。在图4烧结Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金的升温放氢曲线中可以看出,Mg2Ni0.84Ti0.16合金与纯Mg2Ni的初始放氢温度都在190℃左右,但其随后的放氢速率和结束温度却有所不同。Mg2Ni0.84Ti0.16在275~280℃时放氢最快速,结束放氢温度为310℃,纯Mg2Ni在280~295℃时放氢速率最大,结束放氢温度为320℃最终放氢量3.43wt%。图5中的Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金放氢反应的Arrhenius方程拟合曲线,可以看出Mg2Ni0.84Ti0.16的放氢表观活化能(Ea)为63.84KJ/mol,而球磨纯Mg2Ni的放氢表观活化能(Ea)为69kJ/mol。相比于纯Mg2Ni,Mg2Ni0.84Ti0.16合金能够有效地降低了放氢温度,加快了放氢速率,且提高放氢容量和降低活化能。
实施例2
按Ni0.88Ti0.12的成分分别称取Ni粉13.50克Ti粉1.50克,共15.00克。将称取的Ni粉和Ti粉放入不锈钢球磨罐中,按照球料比20:1称取300克不锈钢磨球放如球磨罐中,再倒入正庚烷淹没球和样品,密封好球磨罐。将球磨罐放在球磨机上,30min正反转交替一次,转速为400rmp,球磨时间80小时。球磨好样品之后,烘干得到Ni(Ti)固溶体粉末,如图1(b)所示为当x=0.12时Ni(Ti)固溶体XRD图。然后按照摩尔比2:1在氩气保护气的手套箱中称取6.90克镁粉和8.10克Ni(Ti)固溶体粉末,共15.00克,放入球磨罐中,然后按球料比20:1称取300克不锈钢磨球放入球磨罐中,转速300rmp,球磨1小时。然后将球磨好的样品粉末压成直径13mm,厚4mm的薄片,然后并装入可以密封的钢舟里,密封好钢舟并取出来放入真空烧结炉中加热至600℃,保温20小时,在随炉冷却取出。将烧结产物表面氧化层去除,然后在研钵中研磨并用300目筛子筛取得到Mg2Ni0.88Ti0.12合金粉末。图2(b)为固溶烧结的Mg2Ni0.88Ti0.12合金粉末的XRD。图3(b)为Mg2Ni0.88Ti0.12合金在350℃、3.5MPa条件下吸氢产物的XRD图谱,氢化后,主要由LT-Mg2NiH4相和HT-Mg2NiH4相组成,图3(e)为Mg2Ni0.88Ti0.12合金在350℃、0.001MPa条件下放氢产物的XRD图谱,可以看出完全放氢后与吸氢前烧结的合金相组成一致,具有良好的可逆性能。在图4烧结Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金的升温放氢曲线中可以看出,Mg2Ni0.88Ti0.12在260~270℃时放氢速率最大,结束放氢温度为295℃,最终放氢量3.36wt%,有效地降低了放氢温度,加快了放氢速率,且提高了放氢量。在图5Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金放氢反应的Arrhenius方程拟合曲线,可以看出Mg2Ni0.88Ti0.12的放氢表观活化能(Ea)为59.42KJ/mol,而球磨纯Mg2Ni的放氢表观活化能(Ea)为69kJ/mol。相比于纯Mg2Ni,Mg2Ni0.88Ti0.12合金能够有效地降低了放氢温度,加快了放氢速率,且提高放氢容量和降低活化能。
实施例3
按Ni0.92Ti0.08的成分分别称取Ni粉13.00克和Ti粉2.00克,共15.00克。将称取的Ni粉和Ti粉放入不锈钢球磨罐中,按照球料比20:1称取300克不锈钢磨球放如球磨罐中,再倒入正庚烷淹没球和样品,密封好球磨罐。将球磨罐放在球磨机上,30min正反转交替一次,转速为400rmp,球磨时间80小时。球磨好样品之后,烘干得到Ni(Ti)固溶体粉末,如图1(b)所示为当x=0.08时Ni(Ti)固溶体XRD图。然后按照摩尔比2:1在氩气保护气的手套箱中称取6.85克镁粉和8.15克Ni(Ti)固溶体粉末放入球磨罐中,然后按球料比20:1称取300克不锈钢磨球放入球磨罐中,转速300rmp,球磨1小时。然后将球磨好的样品粉末压成直径13mm,厚4mm的薄片,然后并装入可以密封的钢舟里,密封好钢舟并取出来放入真空烧结炉中加热至600℃,保温20小时,在随炉冷却取出。将烧结产物表面氧化层去除,然后在研钵中研磨并用300目筛子筛取得到Mg2Ni0.92Ti0.8合金粉末,如图2(c)所示为固溶烧结的Mg2Ni0.92Ti0.8合金粉末的XRD。图3(c)为Mg2Ni0.92Ti0.8合金在350℃、3.5MPa条件下吸氢产物的XRD图谱,主要由LT-Mg2NiH4相和HT-Mg2NiH4相组成,此外,还有少量MgH2相;图3(f)为Mg2Ni0.92Ti0.8合金在350℃、0.001MPa条件下放氢产物的XRD图谱,可以看出完全放氢后与吸氢前烧结的合金相组成一致,具有良好的可逆性能。在图4烧结Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金的升温放氢曲线中可以看出Mg2Ni0.92Ti0.08在265~275℃时放氢速率最大,结束放氢温度为305℃,最终放氢量3.36wt%,有效地降低了放氢温度,加快了放氢速率,且提高了放氢量。在图5Mg2Ni1-xTix(x=0.08,0.12,0.16)合金放氢反应的Arrhenius方程拟合曲线,可以看出Mg2Ni0.92Ti0.08的氢表观活化能(Ea)为59.42KJ/mol,而球磨纯Mg2Ni的放氢表观活化能(Ea)为62.84kJ/mol。相比于纯Mg2Ni,Mg2Ni0.92Ti0.08合金能够有效地降低了放氢温度,加快了放氢速率,且提高放氢容量和降低活化能。
Claims (6)
1.一种改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,其特征在于,通过固溶添加钛(Ti),采用球磨结合固相烧结法制备了Mg2Ni1-xTix合金,具体包括如下步骤:
(1)球磨制备Ni(Ti)固溶体:将一定比例的粉末Ni和Ti放入球磨罐中球磨,然后烘干,得到Ni1-xTix固溶体粉末,其中:x=0.08~0.16;
(2)混合压片:将Mg粉与Ni(Ti)固溶体粉末按照摩尔比2:1放入球磨罐中球磨;之后用粉末压片机进行压片,得到薄片;
(3)固相烧结:将步骤(2)中得到的薄片放入烧结炉中,以5~10℃/min加热至600℃,保温20小时,再随炉冷却取出;将烧结产物表面氧化层去除,然后在研钵中研磨,最后用300目筛过筛得到Mg2Ni1-xTix合金作为储氢材料。
2.如权利要求1所述的改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,其特征在于,所述x为0.12。
3.如权利要求1所述的改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的球磨参数是:球料比为20:1,转速400rmp,30分钟正反转交替一次,球磨时间80小时。
4.如权利要求1所述的改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,其特征在于,所述步骤(2)中的球磨参数是:球料比20:1,转速300rmp,球磨1h。
5.如权利要求1所述的改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的烘干参数是:温度20~40℃,时间0.5~1.5h。
6.如权利要求1所述的改善Mg2Ni合金储氢性能的方法,其特征在于,所述步骤(2)压片时的压力范围为15~30MPa。
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