CN108796326B - 一种催化剂增强的MgAl基储氢材料 - Google Patents

一种催化剂增强的MgAl基储氢材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种催化剂增强的MgAl基储氢材料，催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝(16‑18):(11‑13)对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。

Description

一种催化剂增强的MgAl基储氢材料
技术领域
本发明涉及新能源材料技术领域，特别涉及一种催化剂增强的MgAl基储氢材料。
背景技术
金属氢化物储氢材料是通过氢和氢化金属之间的可逆反应来实现氢气的吸收和释放。当外界给氢化物加热时，它就分解为相应的金属相并释放出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分为：稀土系、镁系等。与气态储氢和液态储氢相比，金属氢化物储氢具备储氢质量密度比大、储氢体积比大、压力平稳、充氢简单、便利、安全等优点，并且在相同温度、压力条件下，其单位体积贮氢的密度是气态氢的1000倍。虽然它具有许多优点，但存在的问题也是如今急需解决的难题，以提高储氢材料的储氢能力，降低材料成本，在大规模应用中节约贵金属；同时改善材料在相对较低温度下的吸放氢热力学和动力学性能。美国能源部在2015年提出车载储氢材料的储氢量为5.5wt％、最低最高温度分别为零下40至80度、使用寿命1500次、吸氢时间3.3min和储氢纯度99.97％的这一标准，目前大多数储氢合金仍无法满足该性能要求。镁系储氢材料是以镁作为基体，再添加其它金属，具有较高的储氢量，MgH2的理论质量和体积储氢密度分别为7.6wt％和110kg/m3。镁在自然界储存量丰富，价格低廉，具有较大的应用发展空间，但是其合金氢化物(MgH2)无论是热力学还是动力学都有较大的障碍。热力学上来说，MgH2生成焓较高；动力学上看，MgH2放氢活化能高，较低的温度下放氢速率慢。这就需要做进一步的优化，改善镁系合金吸放氢性能。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种催化剂增强的MgAl基储氢材料，从而克服现有技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝(16-18):(11-13)对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。
优选地，上述技术方案中，第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为20-30min，在熔炼过程中，每熔炼80-100s将合金锭进行一次翻转。
优选地，上述技术方案中，其中，预定的重量份为：初级镁合金块占100-150份，金属Ti占2-4份、金属Zr占3-5份、金属V占1-3份。
优选地，上述技术方案中，对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为10:1-15:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为900-1300r/min，研磨时间为40-60h。
优选地，上述技术方案中，对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨50-60min，暂停球磨8-15min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。
优选地，上述技术方案中，对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为600-700℃，热压压力为50-70MPa，热压时间为30-50min。
优选地，上述技术方案中，对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为150-200℃，热处理时间为30-40h，升温速率为2-4℃/min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：如背景技术中提到的，目前研制成功的储氢材料有稀土系材料和镁基材料。由于稀土是宝贵的战略资源，在目前的矿藏分布条件下，稀土系材料难以大规模用作民用储氢材料。镁基材料虽然有望成为大规模使用的储氢材料，但是目前镁基材料仍然存在较多缺点：1、储氢能力差，适用温度范围窄。一些储氢材料的使用场合较为极端，使用温度可能高于100℃，此时一般的镁基储氢材料将不能发挥储氢性能，这就大大限制了储氢材料的用途。2、改性困难。目前针对镁基合金适用范围窄的缺陷，设计了一些催化剂增强的镁基合金。受限于工艺制程，目前成熟的该类合金只能掺杂一种催化剂(某些专利文献和论文提出过多种元素掺杂的工艺，但是效果很差，成品率很低)，一种催化剂容易出现催化剂中毒，从而严重影响材料的效能。针对现有技术的问题，本申请设计了一种催化剂增强的MgAl基储氢材料，本申请的材料无需添加稀土材料，原料廉价易得，制造成本低。同时本申请首次实现了多种催化剂元素的稳定掺杂，这使得本申请的循环储氢效果明显好于现有技术的材料，效果稳定适于长期服役。本申请由于加入了催化剂，能够在高温条件下使用，极大的拓展了本申请的材料的应用前景。
具体实施方式
提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝16:11对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为20min，在熔炼过程中，每熔炼80s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占100份，金属Ti占2份、金属Zr占3份、金属V占1份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为10:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为900r/min，研磨时间为40h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨50min，暂停球磨8min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为600℃，热压压力为50MPa，热压时间为30min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为150℃，热处理时间为30h，升温速率为2℃/min。
实施例2
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝18:13对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为30min，在熔炼过程中，每熔炼100s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占150份，金属Ti占4份、金属Zr占5份、金属V占3份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为15:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为1300r/min，研磨时间为60h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨60min，暂停球磨15min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为700℃，热压压力为70MPa，热压时间为50min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为200℃，热处理时间为40h，升温速率为4℃/min。
实施例3
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝17:12对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为25min，在熔炼过程中，每熔炼90s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占120份，金属Ti占3份、金属Zr占4份、金属V占2份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为12:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为1100r/min，研磨时间为50h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨55min，暂停球磨10min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为650℃，热压压力为60MPa，热压时间为40min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为180℃，热处理时间为35h，升温速率为3℃/min。
实施例4
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝20:10对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为40min，在熔炼过程中，每熔炼150s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占120份，金属Ti占3份、金属Zr占4份、金属V占2份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为12:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为1100r/min，研磨时间为50h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨55min，暂停球磨10min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为650℃，热压压力为60MPa，热压时间为40min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为180℃，热处理时间为35h，升温速率为3℃/min。
实施例5
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝17:12对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为25min，在熔炼过程中，每熔炼90s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占100份，金属Ti占5份、金属Zr占6份、金属V占4份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为12:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为1100r/min，研磨时间为50h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨55min，暂停球磨10min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为650℃，热压压力为60MPa，热压时间为40min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为180℃，热处理时间为35h，升温速率为3℃/min。
实施例6
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝17:12对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为25min，在熔炼过程中，每熔炼90s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占120份，金属Ti占3份、金属Zr占4份、金属V占2份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为20:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为1500r/min，研磨时间为70h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨100min，暂停球磨20min，不限制球磨罐温度。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为650℃，热压压力为60MPa，热压时间为40min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为180℃，热处理时间为35h，升温速率为3℃/min。
实施例7
催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝17:12对Mg以及Al金属原料进行称重；将称重之后的Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；对初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；提供Ti、Zr以及V金属原料；按照预定的重量份对初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行称重；对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；利用冷等静压法将复合金属粉压成松散合金锭；对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；对密实合金锭进行热处理；对热处理之后的密实合金锭进行线切割。第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为25min，在熔炼过程中，每熔炼90s将合金锭进行一次翻转。其中，预定的重量份为：初级镁合金块占120份，金属Ti占3份、金属Zr占4份、金属V占2份。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为12:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为1100r/min，研磨时间为50h。对称重后的初级镁合金块以及Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨55min，暂停球磨10min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。对松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为800℃，热压压力为30MPa，热压时间为20min。对密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为300℃，热处理时间为20h，升温速率为5℃/min。
实施例8
提供Mg以及Al金属原料；按照摩尔比Mg:Al＝17:12对Mg以及Al金属原料进行称重，仅提供Ti金属原料。制备方法参照某现有技术的方法。
对合金进行150℃下吸氢质量百分数的测试和室温下100次循环(100次吸放氢)之后的吸氢质量百分数测试，测试方式是本领域公知的方式，测试结果基于实施例1进行归一化，测试结果列于表1。
表1
150℃下吸氢质量百分数 循环后的吸氢质量百分数
实施例1 100％ 100％
实施例2 102％ 106％
实施例3 101％ 104％
实施例4 70％ 62％
实施例5 83％ 74％
实施例6 79％ 72％
实施例7 78％ 71％
实施例8 56％ 17％
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：所述催化剂增强的MgAl基储氢材料由如下方法制备：
提供Mg以及Al金属原料；
按照摩尔比Mg:Al＝(16-18):(11-13)对所述Mg以及Al金属原料进行称重；
将称重之后的所述Mg、Al金属原料进行第一真空熔炼，得到初级Mg合金锭；
对所述初级Mg合金锭进行破碎，得到初级镁合金块；
提供Ti、Zr以及V金属原料；
按照预定的重量份对所述初级镁合金块以及所述Ti、Zr以及V金属原料进行称重；
对称重后的所述初级镁合金块以及所述Ti、Zr以及V金属原料进行球磨，得到复合金属粉；
利用冷等静压法将所述复合金属粉压成松散合金锭；
对所述松散合金锭进行热压，得到密实合金锭；
对所述密实合金锭进行热处理；
对热处理之后的密实合金锭进行线切割；
所述预定的重量份为：初级镁合金块占100-150份，金属Ti占2-4份、金属Zr占3-5份、金属V占1-3份。
2.如权利要求1所述的催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：所述第一真空熔炼工艺具体为：真空度低于0.01Pa，熔炼时间为20-30min，在熔炼过程中，每熔炼80-100s将合金锭进行一次翻转。
3.如权利要求1所述的催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：对称重后的所述初级镁合金块以及所述Ti、Zr以及V金属原料进行球磨具体为：球料比为10:1-15:1，研磨气氛为氩气气氛，研磨速度为900-1300r/min，研磨时间为40-60h。
4.如权利要求3所述的催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：对称重后的所述初级镁合金块以及所述Ti、Zr以及V金属原料进行球磨进一步包括：在研磨过程中每球磨50-60min，暂停球磨8-15min，球磨过程中控制球磨罐中的温度低于500℃。
5.如权利要求1所述的催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：对所述松散合金锭进行热压，得到密实合金锭具体为：热压气压低于0.03Pa，热压温度为600-700℃，热压压力为50-70MPa，热压时间为30-50min。
6.如权利要求1所述的催化剂增强的MgAl基储氢材料，其特征在于：对所述密实合金锭进行热处理具体为：热处理气压低于0.01Pa，热处理温度为150-200℃，热处理时间为30-40h，升温速率为2-4℃/min。
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