CN1204282C - 一种添加有过渡金属氧化物的镁基储氢材料 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种添加有过渡金属氧化物的镁基储氢材料，该材料在组成上主要是在纯镁和过渡金属元素粉末中加入过渡金属的氧化物，如Cr₂O₃、MnO₂、Fe₂O₃、V₂O₅、TiO₂、Fe₃O₄、NiO、MnO、V₂O₃，本发明改善了纯镁储氢材料的充放氢动力学和热力学性能。在140℃提高了充氢速度，1分钟可以达到近5%的储氢量。提高了储氢容量，可达到6%以上。

Description

一种添加有过渡金属氧化物的镁基储氢材料

技术领域：

本发明提出一种材料，具体地说是一种在镁基储氢材料中添加过渡金属氧化物的镁基储氢材料。

背景技术：

储氢材料是一种极其重要的功能材料，它在二次能源领域具有非常重要的地位。它是燃料电池、可充电电池的基础材料。由于吸放氢过程具有较大热效应(62KJ/mol)，所以在热汞、空调、恒温等方面都有广泛的应用，特别是未来的电动汽车，更是离不开储氢材料。它也是具有战略价值的材料，作为燃料电池的组成部分，必将广泛地应用于潜艇、卫星、火箭、飞机动力系统中。国际能源机构(IEA)确定了未来作为具有实际应用价值的新型储氢材料的标准，其含氢容量大于5wt％，并且能够在温和的条件下充放氢，充放氢速度快，寿命长。几十年来，各国的科学工作者进行了不懈的努力。目前已研究过的储氢材料有近千种，主要有MgNi₂、FeTi、LaNi₅、ZrZn等系列。在各种金属储氢材料中，人们普遍地认为镁基材料是一种最有前途的储氢材料。因为它有储氢容量大(纯镁的理论值达7.6％)、密度小等优点。但是该材料作为储氢材料具有一些不易克服的缺点，如充放氢温度高、动力学性能差、易粉化等，所以研究和开发具有良好的热力学性能和动力学性能的储氢材料一直是人们研究的重点。各国的研究工作者，尝试了多种办法，如添加各种过渡金属元素，使其形成镁基合金，并制备成纳米晶、非晶等，使镁基储氢材料的性能不断改善。但现有的研究水平还不能满足人们的要求。本发明目的就是开发出具有实际应用前景的储氢材料，特别是以纯镁为基础的大容量的储氢材料，从而直接应用于燃料电池等需要氢源的领域。

发明内容：

本发明明显改善了镁基储氢材料的储氢性能，如吸氢温度降低到了100℃左右，放氢温度同样降低到了300℃，特别是使吸氢的速度大大加快，例如在140℃条件下，可以在60秒内使储氢含量达到5％左右。本发明按以下步骤实现：

(1)在纯镁粉和过渡金属粉末镍中，单独或是混合加入Cr2O₃、MnO₂、Fe₂O₃、V₂O₅、TiO₂、Fe₃O₄、NiO、MnO、V₂O₃过渡金属氧化物粉末并混合形成混合物，所述氧化物粉末加入的比例占混合后形成的所述混合物的重量的0.1-10％；

(2)将上述混合物置于球磨机的装料罐内，在氢气的保护下进行机械球磨，氢气压力为2-10个标准大气压；

上述机械球磨之后的混合物粉末的粒径在0.05-0.5微米之间，其含氢量在4-6.5wt％之间，其表面积在10-120m²/g之间，这即所述的镁基储氢材料。

添加过渡金属氧化物之所以能改善镁基材料的储氢性能，主要和材料的表面结构有关，添加氧化物之后，氧化物的粉末与镁基材料的粉末在球磨机中充分接触，由于氧化物的数量少，可以认为氧化物的细小晶粒镶嵌在镁颗粒的表面之上。起到了破坏镁表面的致密氧化镁膜的作用，同时过渡金属离子，具有一定的分解氢分子的作用，使其在材料表面快速离解成氢原子。从而使吸附氢分子的速度大大加快。本发明把储氢材料的研究推进了一步。一般储氢材料的研究，都没有涉及到在金属材料中添加氧化物等物质。特别是结合本发明所介绍的工艺过程，使镁基储氢材料的充放氢动力学和热力学性能达到了良好的效果。而且本发明不使用稀有金属和贵金属，如钯、铂、铼、铑等，降低了成本，便于材料的大规模使用，如汽车用的燃料电池。在技术上，该工艺过程更为简单。在很多大容量纯镁储氢材料的研究中，研究员都要使用产品MgH₂，然后再对MgH₂进行球磨，由于MgH₂的制备本身就需要一定的工艺过程，无疑增加了成本，而本发明不以MgH₂为原料，这样就使得制造成本也相应地降低。同样，利用本发明的工艺制备的镁基储氢材料，可直接活化，从而缩短了生产周期，为大规模的生产提供了条件。

具体实施方式：

1.取纯镁粉，占总重量的95％；镍粉占3％；MnO₂占2％。

2.将上述粉末装入QM-1SP型行星式球磨机，抽真空并充入5atm、纯度为99.999％的氢气，球磨罐的自转速度为20-400rpm，其球磨时间取决于球磨机的结构，对于QM-1SP和Frisch-P5来说，其球磨的时间在30-95小时之间。

3.将球磨机的转速控制在330rpm。球磨80小时。每间隔20小时取一次样，以备分析用。所有的操作都要在手套箱中进行，箱内充满氩气。

4.取出粉末，粉末颗粒的直径在50-100纳米之间。该粉末可直接用于储存氢气。不需要活化。

Claims (1)

1、一种添加有过渡金属氧化物的镁基储氢材料，其特征在于：按以下步骤实现：

(1)在纯镁粉和过渡金属粉末镍中，单独或是混合加入Cr₂O₃、MnO₂、Fe₂O₃、V₂O₅、TiO₂、Fe₃O₄、NiO、MnO、V₂O₃过渡金属氧化物粉末并混合形成混合物，所述氧化物粉末加入的比例占混合后形成的所述混合物的重量的0.1-10％；

(2)将上述混合物置于球磨机的装料罐内，在氢气的保护下进行机械球磨，氢气压力为2-10个标准大气压；

上述机械球磨之后的混合物粉末的粒径在0.05-0.5微米之间，其含氢量在4-6.5wt％之间，其表面积在10-120m²/g之间，这即所述的镁基储氢材料。