KR20060123300A - Catalyzed hydrogen desorption in mg-based hydrogen storage material and methods for production thereof - Google Patents

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KR20060123300A
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마이클 에이. 펫센코
쿠오 영
청 퉁
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텍사코 오보닉 하이드로젠 시스템즈 엘엘씨
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Abstract

A magnesium-based hydrogen storage material including magnesium or a magnesium-based hydrogen storage alloy and a hydrogen desorption catalyst which is insoluble in said magnesium- based hydrogen storage alloy and is in the form of: 1) discrete dispersed regions of catalytic material in the bulk of said magnesium or magnesium- based hydrogen storage alloy; 2) discrete dispersed regions on the surface of particles of said magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy; 3) a continuous or semi-continuous layer of catalytic material on the surface of said magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy which is in bulk or particulate form; or 4) combinations thereof. Methods of producing the material are also disclosed.

Description

Mg계 수소 저장 물질에서 촉매화된 수소 탈착 및 이의 제조방법{Catalyzed hydrogen desorption in Mg-based hydrogen storage material and methods for production thereof}Catalytic hydrogen desorption in Mg-based hydrogen storage material and methods for production

본 발명은 일반적으로 수소 저장 물질, 보다 구체적으로는 마그네슘계 수소 저장 물질에 관한 것으로서, 상기 물질에서는 상기 마그네슘계 수소 저장 물질에 불용성인 물질에 의해 수소 탈착이 촉매화된다. 상기 불용성인 촉매 물질은 하기의 형태로 있을 수 있다: 1) 수소 저장 물질 벌크 내에서의 촉매 물질의 불연속적인 분산된 영역; 2) 수소 저장 물질의 입자 표면상에 불연속적인 분산된 영역; 3) 벌크 또는 미립자 수소 저장 물질의 표면상에서의 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층; 또는 4) 이것들의 조합.The present invention generally relates to a hydrogen storage material, more particularly to a magnesium-based hydrogen storage material, wherein the hydrogen desorption is catalyzed by a material insoluble in the magnesium-based hydrogen storage material. The insoluble catalyst material may be in the form of: 1) discontinuous dispersed regions of the catalyst material in the hydrogen storage material bulk; 2) discrete discrete regions on the particle surface of the hydrogen storage material; 3) a continuous or semicontinuous layer of catalytic material on the surface of the bulk or particulate hydrogen storage material; Or 4) combinations thereof.

증가하는 에너지 필요는 석탄, 석유, 또는 천연가스와 같은 전통적인 에너지 자원이 무진장하지 않다는 사실, 또는 적어도 그것들이 항상 더 비싸진다는 사실과, 그것들을 수소로 대체하는 것을 고려하는 것이 타당하다는 사실을 인식하도록 전문가들을 촉구하였다.Increasing energy needs should be made aware of the fact that traditional energy resources such as coal, oil, or natural gas are not inexhaustible, or at least that they are always more expensive, and that it is justified to consider replacing them with hydrogen. Experts are urged.

수소는 예를 들어, 탄화수소 대신에 내연기관용 연로로서 사용될 수 있다. 이 경우에, 그것은 탄화수소의 연소시 탄소, 질소, 및 황의 형성을 통해 생기는 대 기 오염을 제거하는 잇점을 갖는다. 수소는 또한 전동기에 필요한 전기의 생산을 위한 수소-공기 연료전지에 연료를 공급하기 위하여 사용될 수 있다. Hydrogen can be used, for example, as a fuel for internal combustion engines instead of hydrocarbons. In this case, it has the advantage of eliminating air pollution resulting from the formation of carbon, nitrogen and sulfur upon combustion of hydrocarbons. Hydrogen can also be used to fuel hydrogen-air fuel cells for the production of electricity needed for electric motors.

수소의 사용에 의해 야기되는 문제점들 중의 하나는 그것의 저장과 수송이다. 하기와 같은 다수의 해결책이 제안되었다:One of the problems caused by the use of hydrogen is its storage and transportation. A number of solutions have been proposed:

수소는 고압하에서 강철 실린더 내에 저장될 수 있지만, 이 방법은(약 1 중량%의 낮은 저장 용량을 가지는 것 외에)다루기 어려운 위험하고 무거운 컨테이너를 요구하는 단점을 갖는다. 수소는 또한 극저온 컨테이너(cryogenic containers)에 저장될 수 있지만, 이것은 예를 들어, 컨테이너의 고비용과 같은 극저온 액체(cryogenic liquids)의 사용과 관련된 단점들을 야기한다. 상기 컨테이너는 또한 주의 깊은 취급을 필요로 한다. 또한, 여기에서 일당 약 2-5%의 "증발(boil off)"손실이 있다.Hydrogen can be stored in steel cylinders under high pressure, but this method has the disadvantage of requiring dangerous and heavy containers that are difficult to handle (other than having a low storage capacity of about 1% by weight). Hydrogen can also be stored in cryogenic containers, but this leads to drawbacks associated with the use of cryogenic liquids such as, for example, the high cost of the container. The container also requires careful handling. There is also a "boil off" loss of about 2-5% per day here.

수소를 저장하는 또 다른 방법은 그것을 수산화물 형태로 저장하는 것이다. 이후,상기 수산화물은 적당한 시간에 분해되어 수소를 공급한다. 철-티타늄, 란타늄-니켈, 바나듐, 및 마그네슘의 수산화물은 프랑스등록특허 제1,529,371호에 기술된 바와 같이, 이 방법으로 사용되어 왔다.Another way to store hydrogen is to store it in hydroxide form. The hydroxide is then decomposed at the appropriate time to supply hydrogen. Hydroxides of iron-titanium, lanthanum-nickel, vanadium, and magnesium have been used in this way, as described in French Patent No. 1,529,371.

수소가 안전하고 간편한 고체 상태의 금속 수산화물 형태로 저장될 수 있다는 초기 발견 이후, 연구자들은 최적의 특성을 갖는 수소 저장 물질을 제조하기 위해 노력하여 왔다. 일반적으로, 이러한 연구자들이 달성하려고 시도해온 이상적인 물질 특성은 하기와 같다: 1) 높은 수소 저장 용량; 2) 경량 물질; 3) 적당한 수소 흡수/탈착 온도; 4) 적당한 흡수/탈착 압력; 5) 빠른 흡수 동력학; 및 6) 긴 흡수/ 탈착 사이클 라이프. 이러한 물질 특성 외에, 이상적인 물질은 저렴하고 제조하기가 쉽다.Since the initial discovery that hydrogen can be stored in the form of safe and convenient solid metal hydroxides, researchers have been trying to produce hydrogen storage materials with optimal properties. In general, the ideal material properties these researchers have attempted to achieve include: 1) high hydrogen storage capacity; 2) lightweight materials; 3) suitable hydrogen absorption / desorption temperature; 4) moderate absorption / desorption pressure; 5) fast absorption kinetics; And 6) long absorption / desorption cycle life. In addition to these material properties, ideal materials are inexpensive and easy to manufacture.

MgH2--Mg 시스템은 가역적인 수소-저장 시스템으로서 사용될 수 있는 모든 기지의 금속-수산화물 및 금속 시스템 중 가장 적절한 것인데, 왜냐하면 그것은 이론적인 수소 저장 용량의 최대 중량%(7.65 중량%)를 가지며, 따라서 저장 물질의 단위 무게당 최대의 이론적인 에너지 밀도(2332 Wh/kg; Reilly & Sandrock, Spektrum der Wissenschaft, Apr. 1980,53)를 갖기 때문이다. The MgH 2 -Mg system is the most suitable of all known metal-hydroxide and metal systems that can be used as reversible hydrogen-storage systems, because it has a maximum weight percent (7.65 weight percent) of theoretical hydrogen storage capacity, Therefore, it has the maximum theoretical energy density per unit weight of the storage material (2332 Wh / kg; Reilly & Sandrock, Spektrum der Wissenschaft, Apr. 1980, 53).

이 특성과 비교적 낮은 마그네슘의 가격이 MgH2-Mg를 수송을 위한, 즉 수소 동력 차량을 위한 최적의 수소 저장 시스템으로 만드는 것처럼 보일지라도, 그것의 불만족스러운 동력학은 현재까지 그것이 사용되지 못하도록 하였다. 순수 마그네슘이 단지 아마도 400℃의 온도에서 격렬한 조건하에, 그리고 이후 단지 매우 느리고 불완전하게 하이드라이딩(hydriding)될 수 있다는 것이 예로서 알려져 있다. 결과로서 생긴 수산화물의 디하이드라이딩 속도(dehydriding rate)는 또한 수소 저장 물질로서 허용될 수 없다(Genossar & Rudman, Z. f. Phys. Chem., Neue Folge 116,215 [1979], 및 여기에 인용된 문헌).Although this property and the relatively low price of magnesium seem to make MgH 2 -Mg an optimal hydrogen storage system for transport, ie for hydrogen powered vehicles, its unsatisfactory dynamics have prevented it from being used to date. It is known by way of example that pure magnesium can only be hydrided under vigorous conditions, perhaps only at a temperature of 400 ° C., and then only very slowly and incompletely. The resulting dehydriding rate of the hydroxides is also unacceptable as hydrogen storage materials (Genossar & Rudman, Z. f. Phys. Chem., Neue Folge 116,215 [1979], and references cited therein). ).

더욱이, 마그네슘 저장기의 수소 저장 용량은 충전/방출 사이클 동안 감소한다. 이 현상은 충전중에 상기 저장기의 내부에 위치한 마그네슘 원자를 수소에 접근할 수 없도록 하는 표면의 진행성 중독에 의해 설명될 수 있다.Moreover, the hydrogen storage capacity of the magnesium reservoir decreases during the charge / discharge cycle. This phenomenon can be explained by the progressive poisoning of the surface that renders the magnesium atoms located inside the reservoir inaccessible to hydrogen during charging.

종래의 마그네슘 또는 마그네슘/니켈 저장 시스템 내의 수소를 방출하기 위 해, 동시에 다량의 에너지 공급과 함께 250℃ 이상의 온도가 요구된다. 수소를 방출하기 위한 고온 레벨과 고에너지 요구는, 예를 들어, 내연 기관을 갖는 자동차 가 이러한 합금으로부터 배타적으로 작동될 수 없는 효과를 갖는다. 이것은 배기가스에 함유된 에너지가, 가장 바람직한 경우(최대 충전량)에, 마그네슘 또는 마그네슘/니켈 합금으로부터 내연 기관의 수소 요구량의 단지 50%만을 충족시키기 충분하기 때문에 발생한다. 따라서, 남아있는 수소 요구량은 또 다른 수산화물 합금으로부터 얻어져야만 한다. 예를 들어, 이 합금은 0℃ 이하의 온도에서 작동될 수 있는 티타늄/철 수산화물(전형적인 저온 수산화물 용기)일 수 있다. 이러한 저온 수산화물 합금은 낮은 수소 저장 용량을 갖는 단점을 갖는다.To release hydrogen in a conventional magnesium or magnesium / nickel storage system, temperatures of 250 ° C. or higher are required simultaneously with a large amount of energy supply. High temperature levels and high energy requirements for releasing hydrogen have the effect that, for example, an automobile with an internal combustion engine cannot be operated exclusively from such alloys. This occurs because the energy contained in the exhaust gas is sufficient to meet only 50% of the hydrogen demand of the internal combustion engine from the magnesium or magnesium / nickel alloy in the most preferred case (maximum charge amount). Thus, the remaining hydrogen demand must be obtained from another hydroxide alloy. For example, this alloy can be titanium / iron hydroxide (typically a low temperature hydroxide vessel) that can be operated at temperatures below 0 ° C. Such low temperature hydroxide alloys have the disadvantage of having low hydrogen storage capacity.

저장 물질이 과거에 개발되어 왔으며, 상기 저장 물질은 비교적 높은 저장 용량을 가지나, 그럼에도 불구하고 수소는 그것으로부터 약 250℃ 이하의 온도에서 방출된다. 미국등록특허 제4,160,014호는 화학식 Ti[1-x]Zr[x]Mn[2-y-z]Cr[y]V[z]의 수소 저장 물질을 개시한다. 상기 식에서, x는 0.05 내지 0.4, y는 0 내지 1, 그리고 z는 0 내지 0.4이다. 수소의 약 2중량% 이하가 이와 같은 합금에 저장될 수 있다. 이 비교적 낮은 저장 용량 외에, 이러한 합금은 또한 금속 바나듐이 사용될 때 합금의 가격이 매우 높다는 단점을 갖는다. Storage materials have been developed in the past, and the storage materials have a relatively high storage capacity, but hydrogen is nevertheless released at temperatures below about 250 ° C. US 4,160,014 discloses a hydrogen storage material of formula Ti [1-x] Zr [x] Mn [2-yz] Cr [y] V [z] . Wherein x is 0.05 to 0.4, y is 0 to 1, and z is 0 to 0.4. Up to about 2% by weight of hydrogen may be stored in such alloys. In addition to this relatively low storage capacity, such alloys also have the disadvantage that the price of the alloy is very high when metal vanadium is used.

더욱이, 미국등록특허 제 4,111,689호는 티타늄 31 내지 46 중량%, 바나듐 5 내지 33 중량%, 그리고 철 및/또는 망간 36 내지 53 중량%를 포함하는 저장 합금을 개시하였다. 이 형태의 합금이 여기에 참고로 포함된 미국등록특허 제4,160,014에 따른 합금 보다 수소에 대한 더 큰 저장 용량을 가질지라도, 그것들은 적어도 250℃의 온도가 수소를 완전히 방출하기 위해 필요하다는 단점을 갖는다. 약 100℃ 이하의 온도에서, 수소 함량의 약 80%가 최선의 경우에 방출될 수 있다. 그러나, 특히 저온에서의 고방출 용량이 산업에서 자주 필요한데, 왜냐하면 수소를 수산화물 용기로부터 방출하기 위해 요구되는 열은 종종 저온 레벨에서만 이용가능하기 때문이다. Moreover, U. S. Patent No. 4,111, 689 discloses a storage alloy comprising 31 to 46 weight percent titanium, 5 to 33 weight percent vanadium, and 36 to 53 weight percent iron and / or manganese. Although alloys of this type have a larger storage capacity for hydrogen than alloys according to US Pat. No. 4,160,014, incorporated herein by reference, they have the disadvantage that a temperature of at least 250 ° C. is necessary to fully release hydrogen. . At temperatures up to about 100 ° C., about 80% of the hydrogen content can be released in the best case. However, high discharge capacity, especially at low temperatures, is often required in the industry because the heat required to release hydrogen from the hydroxide vessel is often only available at low temperature levels.

다른 금속 또는 금속 합금, 특히 티타늄 또는 란타늄을 함유하는 금속 합금과는 대조적으로, 마그네슘은 그것의 낮은 재료비 외에, 무엇보다도, 저장 물질로서의 그것의 낮은 비중 때문에 수소의 저장에 더 적합하다. 그러나, 하기식과 같이 하이드라이딩(hydriding)되는 것은In contrast to other metals or metal alloys, in particular metal alloys containing titanium or lanthanum, magnesium is more suitable for the storage of hydrogen because of its low specific gravity as a storage material, in addition to its low material cost. However, the hydriding is

Mg + H2 → MgH2 Mg + H 2 → MgH 2

, 일반적으로, 마그네슘으로 달성하기가 더 어려운데, 왜냐하면 마그네슘의 표면은 안정한 MgO 및/또는 Mg(OH)2 표면층을 형성하기 위하여 공기 중에서 빠르게 산화할 것이기 때문이다. 이러한 층들은 생성된 수소 원자의 마그네슘 저장 덩어리로의 흡수와 그레인 모양의 입자 표면으로부터 그것들의 확산 외에, 수소 분자의 분해(dissociation)를 저지한다.In general, it is more difficult to achieve with magnesium because the surface of magnesium will oxidize rapidly in air to form a stable MgO and / or Mg (OH) 2 surface layer. These layers resist the dissociation of hydrogen molecules in addition to the absorption of the resulting hydrogen atoms into the magnesium storage mass and their diffusion from the grain shaped particle surface.

다양한 이금속(foreign metal)(German Offenlegungsschriften 2 846 672 and 2 846 673), 또는 Mg2Ni 또는 Mg2Cu(Wiswall, Top Appl. Phys. 29, 201[1978] and Genossar & Rudman op. cit.) 및 LaNi5(Tanguy et al., Mater. Res. Bull. 11, 1441[1976])와 같은 금속간 화합물(intermetallic compound)과 함께, 알루미늄(Douglass, Metall. Trans. 6a, 2179[1975]), 인듐(Mintz, Gavra, & Hadari, J. Inorg. Nucl. Chem. 40, 765[1978]), 또는 철(Welter & Rudman Scripta Metallurgica 16, 285[1982])과 같은 개개의 이금속으로 마그네슘을 도핑하거나 합금으로 만듦으로써 마그네슘의 하이드라이딩 능력을 개선하기 위한 집중적인 노력이 최근 몇년 내에 이루어졌다.Various foreign metals (German Offenlegungsschriften 2 846 672 and 2 846 673), or Mg 2 Ni or Mg 2 Cu (Wiswall, Top Appl. Phys. 29, 201 [1978] and Genossar & Rudman op. Cit.) And aluminum (Douglass, Metall. Trans. 6a, 2179 [1975]), with intermetallic compounds such as LaNi 5 (Tanguy et al., Mater. Res. Bull. 11, 1441 [1976]), Doping magnesium with individual dissimilar metals such as indium (Mintz, Gavra, & Hadari, J. Inorg. Nucl. Chem. 40, 765 [1978]), or iron (Welter & Rudman Scripta Metallurgica 16, 285 [1982]) Intensive efforts have been made in recent years to improve the hydriding ability of magnesium by forming or alloying it.

이러한 시도들이 동력학을 다소 향상시켰을지라도, 특정의 본질적인 단점들은 아직 결과로서 생긴 시스템으로부터 제거되지 않았다. 이금속 또는 금속간 화합물로 도핑된 마그네슘의 예비 하이드라이딩(preliminary hydriding)은 여전히 격렬한 반응조건을 요구하고, 시스템 동력학은 만족스러울 것이며 가역적인 수소 함량은 많은 사이클의 하이드라이딩과 디하이드라이딩 후에만 높게 될 것이다. 이금속 또는 값비싼 금속간 화합물의 상당한 비율이 또한 동력학을 개선하기 위해 필요하다. 더욱이, 이와 같은 시스템의 저장 용량은 MgH2에 대해 이론적으로 기대되는 것보다 일반적으로 훨씬 아래이다.Although these attempts have somewhat improved the dynamics, certain inherent shortcomings have not yet been eliminated from the resulting system. Preliminary hydriding of magnesium doped with bimetallic or intermetallic compounds still requires vigorous reaction conditions, system kinetics will be satisfactory and the reversible hydrogen content will only be high after many cycles of hydriding and dehydrating. Will be. A significant proportion of bimetallic or expensive intermetallic compounds is also needed to improve the kinetics. Moreover, the storage capacity of such systems is generally far below what is theoretically expected for MgH 2 .

마그네슘 및 마그네슘 합금의 저장 품질은 또한 마그네슘의 안정한 산화물을 분해하는 것을 도울 수 있는 물질의 첨가에 의해 향상될 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 합금은 Mg2Ni이고, 상기 합금에서 Ni는 불안정한 산화물을 형성하는 것처럼 보인다. 이 합금에서, 열역학적인 검사는 표면반응, Mg2Ni+02→2MgO+Ni이 수소 분해-흡수 반응에 촉매 작용을 하는 니켈 금속 함유물로 확장되었다는 것을 나타냈다. 참고문헌으로는 A. Seiler 등의 Journal of Less-Common Metals 73,1980, 193 페이지 이하가 될 수 있다.The storage quality of magnesium and magnesium alloys can also be improved by the addition of materials that can help to decompose stable oxides of magnesium. For example, such an alloy is Mg 2 Ni, in which Ni appears to form an unstable oxide. In this alloy, thermodynamic examination indicated that the surface reaction, Mg 2 Ni + 0 2 → 2MgO + Ni, expanded to nickel metal inclusions that catalyze the hydrogen decomposition-absorption reaction. References can be made to A. Seiler et al., Journal of Less-Common Metals 73,1980, 193 pages or less.

마그네슘의 표면 상에서 수소 분해-흡수 반응의 촉매작용을 위한 한가지 가능성이 또한 2상 합금(2-phase alloy)의 형성에 놓여 있다. 상기 2상 합금에서, 하나의 상은 수산화물 형성기이고 다른 하나는 촉매이다. 따라서, F. G. Eisenberg 등의 Journal of Less-Common Metals 74,1980, 323 페이지 이하에 언급된 바와 같이, 갈바니 전기적으로 니켈화된 마그네슘을 수소 저장으로 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 마그네슘 표면 상에 니켈의 부착과 분포 동안에 당면하게 되는 문제점들이 있었다.One possibility for the catalysis of the hydrogen decomposition-absorption reaction on the surface of magnesium also lies in the formation of a two-phase alloy. In the biphasic alloy, one phase is a hydroxide former and the other is a catalyst. Thus, as mentioned below in F. G. Eisenberg et al. Journal of Less-Common Metals 74,1980, 323, it is known to use galvanic electrically nickelated magnesium for hydrogen storage. However, there have been problems encountered during the deposition and distribution of nickel on the magnesium surface.

J. Genossar 등의 Zeitschrift fur Physikalische Chemie Neue Folge 116,1979, 215 페이지 이하에 언급된 바와 같이, 단지 평형상(equilibrium phases)의 형성하에 극히 조밀하고 양호한 접착성 촉매 상을 얻기 위하여, 수소의 저장을 위해 마그네슘의 공정 혼합물(eutectic mixture)이 마그네슘 구리(Mg2Cu)와 함께 수산화물-형성 상으로 사용될 수 있다는 것이 또한 알려져 있다. 이 마그네슘-함유 미립자를 통해 달성된 물질의 부피당 저장 용량은, 그러나, 공정 혼합물에 요구되는 마그네슘 구리의 양 때문에 임의의 높은 요구를 충족시키지 못한다. As mentioned below in the Zeitschrift fur Physikalische Chemie Neue Folge, J. Genossar et al. It is also known that a eutectic mixture of magnesium can be used as the hydroxide-forming phase with magnesium copper (Mg 2 Cu). The storage capacity per volume of material achieved through these magnesium-containing particulates, however, does not meet any high demand due to the amount of magnesium copper required for the process mixture.

이 시대의 과학자들은 다양한 물질을 관찰하였고 특정한 결정 구조가 수소 저장을 위해 요구된다고 가정하였다. 예를 들어, "Hydrogen Storage in Metal Hydride", Scientific American, Vol. 242, No. 2, pp. 118-129, February, 1980을 참조하라. 다른 종류의 물질, 즉 무질서한(disordered) 수소 저장 물질을 이용하여 종래기술 물질의 많은 단점들을 개선하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, "Storage Materials for Hydrogen"에 대한 Guenter Winstel의 미국등록특허 제4,265,720호는 비정질(amorphous) 또는 미세 결정질 실리콘의 수소 저장체를 기술한다. 상기 실리콘은 바람직하게는 적당한 촉매와 결합한 박막이고 기판(substrate)상에 있다.Scientists of this age have observed a variety of materials and have assumed that certain crystal structures are required for hydrogen storage. See, eg, "Hydrogen Storage in Metal Hydride", Scientific American, Vol. 242, No. 2, pp. See 118-129, February, 1980. It has been found that it is possible to remedy many of the shortcomings of the prior art materials using other kinds of materials, namely disordered hydrogen storage materials. For example, US Pat. No. 4,265,720 to Guenter Winstel for "Storage Materials for Hydrogen" describes hydrogen storage of amorphous or microcrystalline silicon. The silicon is preferably a thin film combined with a suitable catalyst and on a substrate.

Matsumato 등의 일본공개특허 제55-167401호인 "Hydrogen Storage Material"은 적어도 50부피% 비정질 구조(amorphous structure)의 bi- 또는 tri-원소 수소 저장 물질을 개시한다. 제1 원소는 Ca, Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Y, 및 란타니드 군으로부터 선택되고, 제2 원소는 Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, 및 Si 군으로부터 선택된다. 제3 원소는 B, C, P 군으로부터 선택되고, Ge은 선택적으로 존재할 수 있다.Japanese Patent Laid-Open Publication No. 55-167401 to Matsumato et al. Discloses bi- or tri-element hydrogen storage materials of at least 50% by volume amorphous structure. The first element is selected from Ca, Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Y, and lanthanide groups, and the second element is Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, and Si Selected from the group. The third element is selected from the group B, C, P, and Ge may optionally be present.

일본공개특허 제55-167401호의 교시에 따르면, 비정질 구조는 대부분의 결정질 시스템의 바람직스럽지 않게 높은 탈착 온도 특성의 문제를 극복하기 위해 필요하다. 고 탈착온도(예를 들어, 150℃ 이상)는 시스템이 놓여질 수 있는 사용을 심각하게 제한한다.According to the teaching of Japanese Patent Laid-Open No. 55-167401, an amorphous structure is necessary to overcome the problem of undesirably high desorption temperature characteristics of most crystalline systems. High desorption temperatures (eg above 150 ° C.) severely limit the use in which the system can be placed.

Matsumoto 등에 따르면, 적어도 50% 비정질 구조의 물질은 비교적 낮은 온도에서 적어도 얼마간의 수소를 탈착시킬 수 있는데, 이는 개개 원자의 결합 에너지가 결정질 물질의 경우에서처럼 균일하지는 않지만, 넓은 영역에 걸쳐 분포되어 있기 때문이다. According to Matsumoto et al., Materials of at least 50% amorphous structure can desorb at least some hydrogen at relatively low temperatures, because the binding energy of individual atoms is not uniform as in the case of crystalline materials, but is distributed over a wide range. to be.

Matsumoto 등은 적어도 50% 비정질 구조의 물질을 청구한다. Matsumoto 등이 용어 "비정질(amorphous)"의 의미에 관한 더 이상의 교시를 제공하지는 않지만, 상기 용어의 과학적으로 널리 인정된 정의는 약 20 Å 이하의 최대 단범위 등급(short range order)을 포함한다.Matsumoto et al. Claim materials of at least 50% amorphous structure. Although Matsumoto et al. Do not provide any further teaching as to the meaning of the term “amorphous,” the scientifically accepted definition of the term includes a maximum short range order of about 20 ms or less.

비단조(non-flat) 히스테리시스 곡선으로 인한 더 좋은 탈착 동력학을 얻기 위한 Matsumoto 등에 의한 비정질 구조 물질의 사용은 부적당하고 부분적인 해결책이다. 결정질의 수소 저장 물질에서 발견되는 다른 문제점들, 특히 적당한 온도에서 낮은 유용한 수소 저장 용량이 남아 있다.The use of amorphous structural materials by Matsumoto et al. To obtain better desorption kinetics due to non-flat hysteresis curves is an inadequate and partial solution. Other problems found in crystalline hydrogen storage materials, particularly low useful hydrogen storage capacity, remain at moderate temperatures.

그러나, 훨씬 더 좋은 수소 저장 결과들, 즉 긴 사이클 수명, 양호한 물리적 강도, 낮은 흡수/탈착 온도 및 압력, 가역성, 그리고 화학적인 중독에 대한 저항이 무질서한 준안정한(metastable) 수소 저장 물질의 개질로 충분한 잇점이 얻어진다면 실현될 수 있다. 무질서한 구조적으로 준안정한 수소 저장 물질의 개질이 "Hydrogen Storage Materials and Method of Making the Same"에 대한 Stanford R. Ovshinsky 등의 미국등록특허 제4,431,561호에 기술되어 있다. 여기에 기술된 바와 같이, 화학적으로 개질되고 열역학적으로 준안정한 구조에 의해 특징지워지는 무질서한 수소 저장 물질은 광범위한 상업적인 사용에 바람직한 모든 수소 저장 특성을 소유하도록 맞춤 제작될 수 있다. 개질된 수소 저장 물질은 단일상(single phase) 결정의 주인 물질(host materials) 보다 더 큰 수소 저장 용량을 갖도록 만들어질 수 있다. 이러한 개질된 물질에서의 수소와 저장 사이트 사이의 결합 강도가 결합 가능성의 스펙트럼을 제공하기 위하여 조절될 수 있다. 화학적으로 개질되고 열역 학적으로 준안정한 구조를 갖는 무질서한 수소 저장 물질은 또한 개선된 수소 저장 동력학과 증가된 독에 대한 저항을 위한 촉매적으로 활성인 사이트(catalytically active sites)의 대폭 증가된 밀도를 갖는다.However, even better hydrogen storage results, i.e., long cycle life, good physical strength, low absorption / desorption temperature and pressure, reversibility, and resistance to chemical poisoning are sufficient to modify the disordered metastable hydrogen storage material. If the benefits are obtained, they can be realized. A disorderly structurally metastable hydrogen storage material is described in US Pat. No. 4,431,561 to Stanford R. Ovshinsky et al., For "Hydrogen Storage Materials and Method of Making the Same." As described herein, disordered hydrogen storage materials characterized by chemically modified and thermodynamically metastable structures can be tailored to possess all of the hydrogen storage properties desirable for a wide range of commercial uses. The modified hydrogen storage material can be made to have a larger hydrogen storage capacity than the host materials of single phase crystals. The bond strength between hydrogen and storage sites in such modified materials can be adjusted to provide a spectrum of binding possibilities. Disordered hydrogen storage materials that are chemically modified and thermodynamically metastable structures also have significantly increased densities of catalytically active sites for improved hydrogen storage kinetics and increased resistance to poisons. .

선택된 주인 매트릭스(host matrix)에 포함된 선택된 개질기의 상호 의존적인 결합은 구조적이고 화학적인 개질의 정도와 품질을 제공하는데, 상기 개질은 수소 저장에 순종적인 화학 구조 및 형태, 물리 구조 및 형태, 그리고 전자 구조 및 형태를 안정화시킨다. The interdependent coupling of selected reformers included in the selected host matrix provides the degree and quality of structural and chemical modifications, which modify chemical structures and forms, physical structures and forms, and Stabilizes electronic structure and morphology.

개질된 수소 저장 물질의 골격은 경량의 주인 매트릭스이다. 상기 주인 매트릭스는 선택된 개질기로 구조적으로 개질되어, 요구되는 수소 저장 특성을 가져오는 국소적인 화학적 환경을 갖는 무질서한 물질을 제공한다. The backbone of the modified hydrogen storage material is a lightweight master matrix. The host matrix is structurally modified with a selected reformer to provide a disordered material with a local chemical environment that results in the desired hydrogen storage properties.

Ovshinsky 등에 의해 기술된 주인 매트릭스의 또 다른 잇점은 그것이 개질기 원소의 비율을 변화시키는 실질적으로 연속적인 영역에서 개질될 수 있다는 것이다. 이 능력은 주인 매트릭스가 개질기에 의해 특정 사용에 적당한 특성을 갖는 맞춤 제작 또는 엔지니어 수소 저장 물질로 처리되는 것을 허용한다. 이것은 일반적으로 매우 제한된 범위의 이용가능한 화학양론을 갖는 다성분 단일상(single phase)의 주인 결정질 물질과는 대조적이다. 따라서, 이와 같은 결정질 물질의 열역학 및 동력학의, 화학적이고 구조적인 개질의 연속적인 범위의 제어는 가능하지 않다.Another advantage of the host matrix described by Ovshinsky et al. Is that it can be modified in a substantially continuous area that changes the proportion of the reformer element. This capability allows the host matrix to be treated with a custom or engineered hydrogen storage material having properties suitable for a particular use by the reformer. This is in contrast to the host crystalline materials of the multicomponent single phase which generally have a very limited range of available stoichiometry. Thus, control of a continuous range of thermodynamic and kinematic, chemical and structural modifications of such crystalline materials is not possible.

이러한 무질서한 수소 저장 물질의 더한 잇점은 그것들이 독에 훨씬 더 저항성이라는 것이다. 상술한 바와 같이, 이러한 물질은 촉매적으로 활성인 사이트의 훨씬 더 큰 밀도를 갖는다. 따라서, 특정 수의 이와 같은 사이트는 독성 종(poisonous species)의 효과에 희생될 수 있고, 반면에 다수의 중독되지 않은 활성 사이트가 원하는 수소 저장 동력학을 계속하여 제공하기 위하여 여전히 남아있다.A further advantage of these disordered hydrogen storage materials is that they are much more resistant to poisons. As mentioned above, these materials have a much higher density of catalytically active sites. Thus, a certain number of such sites can be sacrificed for the effects of poisonous species, while many non-addicted active sites still remain to provide the desired hydrogen storage kinetics.

이러한 무질서한 물질의 또 다른 잇점은 그것들이 단일상의 결정질 물질 보다 기계적으로 더 유연하게 설계될 수 있다는 것이다. 무질서한 물질은 따라서 팽창과 수축중에 더 많이 뒤틀릴(distortion) 수 있어 흡수와 탈착 사이클 중에 더 큰 기계적 안정성을 허용할 수 있다.Another advantage of these disordered materials is that they can be designed to be more mechanically flexible than single phase crystalline materials. The disordered material may thus be more distorted during expansion and contraction, allowing for greater mechanical stability during absorption and desorption cycles.

이러한 무질서한 물질의 한가지 단점은, 과거에는, Mg계 합금의 몇몇은 생산되기 어려웠다는 것이다. 특히, 이러한 물질은 용융물(melt)에서 용액을 형성하지 않았다. 또한, 가장 가능성 있는 물질(즉, 마그네슘계 물질)은 벌크 형태로 만들기가 매우 어렵다. 즉, 박막 스퍼터링 기술은 이러한 무질서한 합금의 소량을 만들수는 있지만, 벌크 제조 기술은 없었다.One disadvantage of this disordered material is that in the past, some of the Mg-based alloys were difficult to produce. In particular, these materials did not form a solution in the melt. In addition, the most promising materials (ie magnesium-based materials) are very difficult to make in bulk form. That is, thin film sputtering techniques can produce small amounts of such disordered alloys, but there is no bulk manufacturing technique.

이후 1980년대 중반에, 2개의 그룹이 벌크의 무질서한 마그네슘 합금 수소 저장 물질을 제조하는 기계적 합금 기술을 개발하였다. 기계적 합금은, 특히 안정한 금속간 상(intermetallic phases)들이 존재하지 않을 때, 광범위하게 다른 증기압 및 융점을 갖는 원소들의 합금(alloying)(Mg과 Fe, 또는 Ti 등)을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 유도 융해(induction melting)와 같은 종래의 기술은 이와 같은 목적에 부적당한 것으로 밝혀졌다.Then in the mid-1980s, two groups developed mechanical alloying techniques to produce bulky disordered magnesium alloy hydrogen storage materials. Mechanical alloys have been found to promote alloying of elements with widely different vapor pressures and melting points (such as Mg and Fe, or Ti), especially when there are no stable intermetallic phases. Conventional techniques such as induction melting have been found to be inadequate for this purpose.

상기 2개의 그룹 중 첫번째는 Mg-Ni 시스템 물질의 기계적 합금(mechanical alloying)과 그것들의 수소 저장 특성을 조사한 프랑스 과학자 팀이었다. Senegas 등의 "Phase Characterization and Hydrogen Diffusion Study in the Mg-Ni-H System", Journal of the Less-Common Metals, Vol. 129,1987, pp. 317-326 (binary mechanical alloys of Mg and Ni incorporating 0, 10, 25 and 55 wt.% Ni);그리고 또한, Song 등의 "Hydriding and Dehydriding Characteristics of Mechanically Alloyed Mixtures Mg-x wt. % Ni(x=5, 10, 25 and 55)", Journal of the Less-Common Metals, Vol. 131, 1987, pp.71-79 (binary mechanical alloys of Mg and Ni incorporating 5, 10, 25 and 55 wt.% Ni)를 참조하라. The first of the two groups was a team of French scientists who investigated the mechanical alloying of Mg-Ni system materials and their hydrogen storage properties. Senegas et al., "Phase Characterization and Hydrogen Diffusion Study in the Mg-Ni-H System", Journal of the Less-Common Metals, Vol. 129,1987, pp. 317-326 (binary mechanical alloys of Mg and Ni incorporating 0, 10, 25 and 55 wt.% Ni); and also Song et al., "Hydriding and Dehydriding Characteristics of Mechanically Alloyed Mixtures Mg-x wt.% Ni (x = 5, 10, 25 and 55) ", Journal of the Less-Common Metals, Vol. 131, 1987, pp. 71-79 (binary mechanical alloys of Mg and Ni incorporating 5, 10, 25 and 55 wt.% Ni).

상기 2개의 그룹 중 두번째는 마그네슘 및 다른 금속의 이원(binary) 기계적 합금의 수소 저장 특성을 조사한 러시아 과학자 팀이었다. Ivanov 등의 "Mechanical Alloys of Magnesium--New Materials For Hydrogen Energy", Doklady Physical Chemistry(English Translation) vol.286: 1-3,1986, pp. 55-57, (binary mechanical alloys of Mg with Ni, Ce, Nb, Ti, Fe, Co, Si and C); 또한, Ivanov 등의 "Magnesium Mechanical Alloys for Hydrogen Storage", Journal of the Less-Common Metals, vol. 131,1987, pp. 25-29 (binary mechanical alloys of Mg with Ni, Fe, Co, Nb and Ti); 그리고 Stepanov 등의 "Hydriding Properties of Mechanical Alloys of Mg-Ni", Journal of the Less-Common Metals, vol. 131,1987, pp. 89-97(binary mechanical alloys of the Mg-Ni system)을 참조하라. 또한, 상기 프랑스 그룹과 러시아 그룹의 공동 연구물인, Konstanchuk 등의 "The Hydriding Properties of a Mechanical Alloy With CompositionMg-25% Fe", Journal of the Less-Common Metals, vol.131, 1987, pp. 181-189(binary mechanical alloy of Mg and 25 wt.% Fe)를 참조하라. The second of the two groups was a team of Russian scientists investigating the hydrogen storage properties of binary mechanical alloys of magnesium and other metals. Ivanov et al., "Mechanical Alloys of Magnesium--New Materials For Hydrogen Energy", Doklady Physical Chemistry (English Translation) vol. 286: 1-3,1986, pp. 55-57, (binary mechanical alloys of Mg with Ni, Ce, Nb, Ti, Fe, Co, Si and C); See also Ivanov et al., "Magnesium Mechanical Alloys for Hydrogen Storage", Journal of the Less-Common Metals, vol. 131,1987, pp. 25-29 (binary mechanical alloys of Mg with Ni, Fe, Co, Nb and Ti); And Stepanov et al., "Hydriding Properties of Mechanical Alloys of Mg-Ni", Journal of the Less-Common Metals, vol. 131,1987, pp. See 89-97 (binary mechanical alloys of the Mg-Ni system). In addition, Konstanchuk et al., "The Hydriding Properties of a Mechanical Alloy With Composition Mg-25% Fe", a joint study of the French and Russian groups, Journal of the Less-Common Metals, vol. 131, 1987, pp. See 181-189 (binary mechanical alloy of Mg and 25 wt.% Fe).

이후, 1980년대 말과 1990년대 초에는, 불가리아의 과학자 그룹(때때로 러시아의 과학자 그룹과 협력하여)은 마그네슘과 금속 산화물의 기계적 합금의 수소 저장 특성을 조사하였다. Khrussanova 등의 "Hydriding Kinetics of Mixtures Containing Some 3d-Transition Metal Oxides and Magnesium", Zeitschrift fur Physikalische Chemie Neue Folge, Munchen, vol. 164, 1989, pp.1261-1266 (comparing binary mixtures and mechanical alloys of Mg with TiO2, V205,and Cr203) ; 및 Peshev 등의 "Surface Composition of Mg--TiO2 Mixtures for Hydrogen Storage, Prepared by Different Methods", Materials Research Bulletin, vol. 24, 1989, pp. 207-212(comparing conventional mixtures and mechanical alloys of Mg and TiO2)를 참조하라. 또한, Khrussanova 등의 "On the Hydriding of a Mechanically Alloyed Mg(90%)--V205(10%) Mixture", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 15, No. 11, 1990, pp.799-805(investigating the hydrogen storage properties of a binary mechanical alloy of Mg and V2O5) ; 및 Khrussanova 등의 "Hydriding of Mechanically Alloyed Mixtures of Magnesium With MnO2, Fe203, and NiO", Materials Research Bulletin, vol. 26, 1991, pp.561-567(investigating the hydrogen storage properties of a binary mechanical alloys of Mg with and MnO2, Fe203, and NiO)를 참조하라. 또한, 마지막으로 Khrussanova 등의 "The Effect of the d-Electron Concentration on the Absorption Capacity of Some Systems for Hydrogen Storage", Materials Research Bulletin, vol. 26, 1991, pp.1291-1298 (investigating d-electron concentration effects on the hydrogen storage properties of materials, including mechanical alloys of Mg and 3-d metal oxides); 및 Mitov 등의 "A Mossbauer Study of a Hydrided Mechanically Alloyed Mixture of Magnesium and Iron(III) Oxide", Materials Research Bulletin, vol.27, 1992, pp.905-910(Investigating the hydrogen storage properties of a binary mechanical alloy of Mg and Fe203)를 참조하라. Later, in the late 1980s and early 1990s, a group of Bulgarian scientists (sometimes in collaboration with a group of Russian scientists) examined the hydrogen storage properties of mechanical alloys of magnesium and metal oxides. "Hydriding Kinetics of Mixtures Containing Some 3d-Transition Metal Oxides and Magnesium" by Khrussanova et al., Zeitschrift fur Physikalische Chemie Neue Folge, Munchen, vol. 164, 1989, pp. 1261-1266 (comparing binary mixtures and mechanical alloys of Mg with TiO 2 , V 2 0 5 , and Cr 2 0 3 ); And "Surface Composition of Mg--TiO 2 Mixtures for Hydrogen Storage, Prepared by Different Methods" by Peshev et al., Materials Research Bulletin, vol. 24, 1989, pp. See 207-212 (comparing conventional mixtures and mechanical alloys of Mg and TiO 2 ). See also Khrussanova et al., "On the Hydriding of a Mechanically Alloyed Mg (90%)-V 2 0 5 (10%) Mixture", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 15, No. 11, 1990, pp. 799-805 (investigating the hydrogen storage properties of a binary mechanical alloy of Mg and V 2 O 5 ); And "Hydriding of Mechanically Alloyed Mixtures of Magnesium With MnO 2 , Fe 2 0 3 , and NiO", Materials Research Bulletin, vol. 26, 1991, pp. 561-567 (investigating the hydrogen storage properties of a binary mechanical alloys of Mg with and MnO 2 , Fe 2 0 3 , and NiO). Finally, Khrussanova et al., "The Effect of the d-Electron Concentration on the Absorption Capacity of Some Systems for Hydrogen Storage", Materials Research Bulletin, vol. 26, 1991, pp. 1291-1298 (investigating d-electron concentration effects on the hydrogen storage properties of materials, including mechanical alloys of Mg and 3-d metal oxides); And Mitov et al. "A Mossbauer Study of a Hydrided Mechanically Alloyed Mixture of Magnesium and Iron (III) Oxide", Materials Research Bulletin, vol. 27, 1992, pp.905-910 (Investigating the hydrogen storage properties of a binary mechanical alloy of Mg and Fe 2 0 3 ).

더 최근에는, 한 중국 과학자 그룹이 Mg의 다른 금속과의 몇가지 기계적 합금의 수소 저장 특성을 조사하였다. Yang 등의 "The Thermal Stability of Amorphous Hydride Mg50Ni50H54 and Mg30Ni70H45", Zeitschrift fur Physikalische Chemie, Munchen, vol. 183,1994, pp. 141-147 (Investigating the hydrogen storage properties of the mechanical alloys Mg50Ni50 and Mg30Ni70) ; 및 Lei 등의 "Electrochemical Behavior of Some Mechanically Alloyed Mg-Ni-based Amorphous Hydrogen Storage Alloys", Zeitschrift fur Physikalische Chemie, Munchen, vol. 183,1994, pp. 379-384 (investigating the electrochemical[i,e. Ni-MH battery] properties of some mechanical alloys of Mg--Ni with Co, Si,Al, and Co-Si)를 참조하라. More recently, a group of Chinese scientists investigated the hydrogen storage properties of several mechanical alloys of Mg with other metals. Yang et al., "The Thermal Stability of Amorphous Hydride Mg 50 Ni 50 H 54 and Mg 30 Ni 70 H 45 ", Zeitschrift fur Physikalische Chemie, Munchen, vol. 183,1994, pp. 141-147 (Investigating the hydrogen storage properties of the mechanical alloys Mg 50 Ni 50 and Mg 30 Ni 70 ); And "Electrochemical Behavior of Some Mechanically Alloyed Mg-Ni-based Amorphous Hydrogen Storage Alloys" by Lei et al., Zeitschrift fur Physikalische Chemie, Munchen, vol. 183,1994, pp. See 379-384 (investigating the electrochemical [i, e. Ni-MH battery] properties of some mechanical alloys of Mg--Ni with Co, Si, Al, and Co-Si).

단범위(short-range), 또는 국소적인 정렬(order)이 "Compositionally Varied Materials and Method for Synthesizing the Materials"로 명명된 Ovshinsky의 미국등록특허 제4,520,039호에 상세히 언급되어 있으며, 그것의 내용이 참고로 포함되었다. 이 특허는 무질서한 물질들은 어떠한 주기적인 국소 정렬을 요구하지 않으며, 유사하거나 유사하지 않은 원자들 또는 원자들의 그룹의 공간적이고 방위적인 배치가, 정성적으로 새로운 현상을 생성시키는 것이 가능한 국소 배치의 그와 같이 증가된 정확도 및 제어로 어떻게 가능한지를 개시하였다. 게다가, 이 특허는 사용된 원자가 "d 밴드" 또는 "f 밴드" 원자에 한정될 필요는 없지만, 국소 환경 및/또는 오비탈 중첩과의 상호작용의 조절된 양상이 물성에, 따라서 물질의 기능에 영향을 미치도록 물리적으로, 전자적으로, 또는 화학적으로 중요한 역할을 하는 어떤 원자일 수 있다는 것을 논의한다. 이러한 물질의 원소들은 d-오비탈로 인해 다양한 결합 가능성을 제공한다. d-오비탈의 다방향성("porcupine effect")은 밀도에서의, 따라서 활성 저장 사이트에서의 엄청난 증가를 제공한다. 이러한 기술은 동시에 몇가지 서로 다른 관점에서 무질서해진 새로운 물질을 합성하는 수단을 낳는다.A short-range, or local order, is described in detail in Ovshinsky, U.S. Patent No. 4,520,039, entitled "Compositionally Varied Materials and Method for Synthesizing the Materials," the contents of which are incorporated by reference. Included. This patent does not require any periodic local alignment of disordered materials, and spatial and orientational arrangements of similar or dissimilar atoms or groups of atoms are those of a local arrangement in which it is possible to qualitatively create new phenomena. We also disclosed how this is possible with increased accuracy and control. Moreover, this patent need not be limited to the valence "d-band" or "f-band" atoms used, but a controlled aspect of the interaction with the local environment and / or orbital overlap affects the properties and thus the function of the material. It can be any atom that plays an important role physically, electronically, or chemically. The elements of these materials offer various bonding possibilities due to the d-orbitals. The "porcupine effect" of the d-orbital provides a tremendous increase in density and thus in active storage sites. This technology results in a means of synthesizing disordered new materials from several different points of view at the same time.

Ovshinsky는 이전에 표면 사이트의 수가 비정질 필름(amorphous film)을 만듦으로써 상당히 증가될 수 있다는 것을 보여주었는데, 상기 필름의 벌크는 원하는 비교적 순수한 물질의 표면을 닮았다. Ovshinsky는 또한 상기 물질이, 요구되는 전기 화학적 특성을 얻도록 허용하는 추가적인 결합 및 국소 환경 정렬을 제공하기 위하여 복합 원소를 사용하였다. Ovshinsky가 "Principles and Applications of Amorphicity, Structural Change, and Optical Information Encoding, 42 Journal De Physique at C4-1096 (October 1981)"에서 설명한 바와 같이:Ovshinsky has previously shown that the number of surface sites can be significantly increased by making an amorphous film, the bulk of which resembles the surface of the desired relatively pure material. Ovshinsky also used complex elements to provide additional binding and local environmental alignment that allows the material to obtain the required electrochemical properties. As Ovshinsky described in "Principles and Applications of Amorphicity, Structural Change, and Optical Information Encoding, 42 Journal De Physique at C4-1096 (October 1981)":

비정질성(amorphicity)은 장범위 주기성(long range periodicity)의 X선 회절 증거의 부족으로 언급되는 일반 용어이고 물질의 충분한 설명이 아니다. 비정질 물질을 이해하기 위하여 고려되어야 할 몇가지 중요한 인자가 있다: 화학 결합의 형태, 국소 정렬에 의해 생성된 결합의 수, 즉 그것의 배위(coordination), 및 결과로서 생기는 다양한 배치에의 화학적이고 기하학적인 전체 국지 환경의 영향. 비정질성은 강체구(hard spheres)로 보이는 원자들의 임의의 패킹에 의해 결정되지도 않으며, 비정질 고체는 단순히 임의대로 박힌(imbedded) 원자들을 갖는 주인도 아니다. 비정질 물질은 상호작용하는 매트릭스로 구성된 것처럼 보여져야 한다. 상기 매트리스의 전자 배치는 자유 에너지 힘에 의해 생성되고 그것들은 특히 구성 원자의 화학적 성질 및 배위에 의해 정의될 수 있다. 복합-오비탈 원소들과 다양한 제조기술을 이용하여, 평형 조건(equilibrium conditions)을 반영하는 정상 완화(normal relaxation)를 따돌릴 수(outwit) 있으며, 비정질 상태의 3차원적인 자유 때문에, 전체적으로 새로운 형태의 비정질 물질--화학적으로 개질된 물질을 만들 수 있다...Amorphicity is a general term that refers to the lack of evidence of X-ray diffraction of long range periodicity and is not a sufficient description of the material. There are several important factors to consider in order to understand amorphous materials: the form of chemical bonds, the number of bonds produced by local alignment, that is, their coordination, and the chemical and geometrical implications of the various configurations resulting. Impact of the entire local environment. Amorphousness is not determined by any packing of atoms that appear to be hard spheres, and an amorphous solid is not simply a master with randomly imbedded atoms. Amorphous materials should appear to consist of interacting matrices. The electronic arrangement of the mattress is generated by free energy forces and they can in particular be defined by the chemical nature and coordination of the constituent atoms. Using complex orbital elements and a variety of manufacturing techniques, it is possible to outwit normal relaxation that reflects equilibrium conditions, and because of the three-dimensional freedom of the amorphous state, a whole new form of amorphous Substances--Make chemically modified substances ...

비정질성이 막에 표면 사이트를 도입하는 수단으로써 이해된다면, 다공성(porosity), 토폴로지, 결정(crystallites), 사이트의 특성, 및 사이트들 간의 거리와 같은 효과의 전체 스펙트럼을 고려하는 "무질서(disorder)"를 생산하는 것 이 가능하다. 따라서, 우연히 발생하는 표면 결합 및 표면 불규칙성의 최대 수를 갖는 정렬된 물질을 생산하는 물질 변화를 연구하기 보다는, ECD에서 Ovshinsky와 그의 팀은 원하는 불규칙성이 마춤 제조된 "무질서한" 물질을 만들기 시작했다. 미국등록특허 제4,623,597호를 참조하라. 상기 특허의 개시가 참고로 포함되었다. If amorphousness is to be understood as a means of introducing surface sites into a membrane, a "disorder" that takes into account the full spectrum of effects such as porosity, topology, crystallites, properties of the sites, and distances between the sites It is possible to produce. Thus, rather than studying material changes that produce aligned materials with the maximum number of surface bonds and surface irregularities that occur by chance, Ovshinsky and his team at ECD began to create "disordered" materials with the desired irregularities just made. See US Pat. No. 4,623,597. The disclosure of this patent is incorporated by reference.

전기화학적인 전극 물질을 언급하기 위해 여기서 사용된 용어 "무질서한(disordered)"은 하기와 같은 문헌에서 사용된 것과 같은 용어의 의미에 대응한다:The term "disordered" as used herein to refer to an electrochemical electrode material corresponds to the meaning of the term as used in the following literature:

무질서한 반도체는 몇가지 구조적 상태로 존재할 수 있다. 이 구조 인자는 상기 [물질]의 물성이....조절될 수 있는 새로운 변수를 구성한다. 더욱이, 구조적 무질서는 준안정 상태에서 열역학적 평형의 한계를 훨씬 초과하는 새로운 조성물과 혼합물을 제조할 가능성을 연다. 따라서, 우리는 하기를 더 구별되는 특징으로써 주목한다. 많은 무질서한 [물질들]에서..., 원소들에 대해 새로운 배위수(coordination numbers)를 강요하는 것을 포함하여, 단범위 정렬 파라미터(short-range order parameter)를 조절하여 이러한 물질의 물성에서의 격렬한 변화를 얻는 것이 가능하다...Disordered semiconductors can exist in several structural states. This structural factor constitutes a new variable in which the physical properties of the substance can be controlled. Moreover, structural disorders open up the possibility of producing new compositions and mixtures in metastable states that far exceed the limits of thermodynamic equilibrium. Therefore, we note the following as more distinctive features. In many disordered materials, it is possible to adjust the short-range order parameter, including forcing new coordination numbers on elements, resulting in drastic changes in the properties of these materials. It is possible to get change ...

S. R. Ovshinsky, The Shape of Disorder, 32 Journal of Non-Crystalline Solids at 22 (1979) (강조가 추가됨). S. R. Ovshinsky, The Shape of Disorder, 32 Journal of Non-Crystalline Solids at 22 (1979) (emphasis added).

이러한 무질서한 물질의 "단범위 정렬(short-range order)"은 The Chemical Basis of Amorphicity: Structure and Function, 26: 8-9 Rev. Roum. Phys. at 893-903 (1981):에서 Ovshinsky에 의해 더 설명된다:The "short-range order" of such disordered materials is described in The Chemical Basis of Amorphicity: Structure and Function, 26: 8-9 Rev. Roum. Phys. at 893-903 (1981): is further explained by Ovshinsky in:

[단]-범위 정렬은 보존되지 않는다....사실상, 결정의 대칭이 파괴될 때, 같은 단범위 정렬을 유지하는 것이 불가능하게 된다. 이에 대한 이유는, 단범위 정렬이 전자 오비탈의 힘 영역에 의해 조절되기 때문이고 따라서, 환경은 대응하는 결정 및 비정질 고체에서 근본적으로 다름에 틀림없다. 환언하면, 물질의 전기적, 화학적, 그리고 물리적 성질을 결정하는 것은 주위 환경과의 국소적 화학 결합의 상호작용이며, 이러한 상호작용은 비정질 물질에서는 결정 물질에서와 결코 같을 수 없다... 비정질이지만 결정 물질이 아닌 물질에서 3차원 공간에 존재할 수 있는 오비탈 관계는 새로운 기하학에 대한 기초이고, 그것들의 다수는 성질상 본질적으로 반결정질(anti-crystalline)이다. 결합(bonds)의 뒤틀림(distortion)과 원자의 치환은 단일 원소 물질에서 비정질성을 일으키는 적당한 이유가 될 수 있다. 그러나, 비정질성을 충분히 이해하기 위해서는, 비정질 상태에서의 본질적인 3차원 관계를 이해해야만 하는데, 왜냐하면 결정 격자의 병진 대칭성(translational symmetry)과 양립할 수 없는 내부 토폴로지를 발생시키는 것이 그들이기 때문이다... 비정질 상태에서 중요한 것은 어떤 결정 유사물(counterpart)도 갖지 않는 물질의 무한성을 만들 수 있고, 심지어는 결정 유사물을 갖는 물질도 주로 화학 조성에서 유사성이 있다는 사실이다. 이러한 원자들의 공간적이고 활기찬 관계는 그것들의 화학 원소가 같을지라도 비정질 형태 및 결정 형태에서 전체적으로 다를 수 있다...[End] -range alignment is not preserved. In fact, when the symmetry of the crystal is broken, it becomes impossible to maintain the same short-range alignment. The reason for this is that the short range alignment is regulated by the force region of the electron orbital and therefore the environment must be fundamentally different in the corresponding crystalline and amorphous solids. In other words, what determines the electrical, chemical, and physical properties of a material is the interaction of local chemical bonds with the surrounding environment, and this interaction can never be the same as in crystalline materials in amorphous materials. The orbital relationships that can exist in three-dimensional space in non-material materials are the basis for new geometry, many of which are inherently anti-crystalline in nature. Distortion of bonds and substitution of atoms can be a good reason for causing amorphousness in single element materials. However, in order to fully understand amorphousness, one must understand the essential three-dimensional relationship in the amorphous state, because they generate an internal topology that is incompatible with the translational symmetry of the crystal lattice. What is important in the amorphous state is the fact that it can make the infinity of a material without any counterpart, and even a material with a crystalline analog is mainly similar in chemical composition. The spatial and energetic relationship of these atoms can be entirely different in their amorphous and crystalline form even though their chemical elements are identical.

상술한 이와 같은 무질서한 물질의 원리에 입각하여, 3종의 매우 효율적인 전기화학적 수소 저장 음전극 물질이 고안되었다. 이러한 3종의 음전극 물질들은, 개별적으로(individually) 그리고 집합적으로(collectively), 이하에서 "Ovonic"으 로 불릴 것이다. 상기 종들(families) 중 하나는 La-Ni5-형 음전극 물질인데, 이는 Ce, Pr, 및 Nd와 같은 희토류 원소와, Mn, Al, 및 Co와 같은 기타 금속의 첨가를 통해 무질서한 다성분 합금, 즉 "Ovonic"이 되도록 최근 개질되었다. 이러한 종들의 두번째는 Ti-Ni-형 음전극 물질인데, 이는 주제 발명의 양수인에 의해 도입되고 개발되었으며 Zr 및 V과 같은 전이 금속과 Mn, Cr, Al, Fe 등과 같은 기타 금속 개질기 원소의 첨가를 통해 무질서한 다원소 합금, 즉 "Ovonic"이 되도록 개질되었다. 이러한 종들의 세번째는 미국등록특허 제5,506,069; 5,616,432; 및 5,554,456호에 설명된 무질서한 다성분 MgNi-형 음전극 물질이다(이것들의 개시가 여기에서 참고로 포함되었다). Based on the principles of such disordered materials described above, three highly efficient electrochemical hydrogen storage negative electrode materials have been devised. These three negative electrode materials, individually and collectively, will be referred to hereinafter as "Ovonic". One of these species is a La-Ni 5 -type negative electrode material, which is a disordered multicomponent alloy through the addition of rare earth elements such as Ce, Pr, and Nd, and other metals such as Mn, Al, and Co, It has recently been modified to become "Ovonic". The second of these species is the Ti-Ni-type negative electrode material, which was introduced and developed by the assignee of the subject invention and through the addition of transition metals such as Zr and V and other metal modifier elements such as Mn, Cr, Al, Fe, etc. It has been modified to be an disordered multielement alloy, or "Ovonic." The third of these species is described in U.S. Patent Nos. 5,506,069; 5,616,432; And the disordered multicomponent MgNi-type negative electrode material described in US Pat. No. 5,554,456 (the disclosure of which is incorporated herein by reference).

Ovshinsky의 '597 특허에 표현된 원리에 입각하여, Ovonic Ti-V-Zr-Ni 형 활성 물질이 Sapru, Fetcenko 등의 미국등록특허 제4,551,400호("'400특허")에 개시되어 있고, 이의 개시가 참고로 포함되었다. Ovonic 물질의 이 두번째 종은 수소를 저장하기 위하여 가역적으로 수산화물을 형성한다. '400특허에 사용된 모든 물질은 Ti-V-Ni 조성을 이용하는데, 여기서 적어도 Ti, V, 및 Ni이 적어도 하나의 Cr, Zr, 및 Al과 함께 존재한다. '400특허의 물질은 일반적으로 다상 다결정 물질인데, 이는 C14 및 C15 형의 결정 구조와 함께 하나 이상의 Ti-V-Zr-Ni 물질의 상(phase)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 Ovonic Ti-V-Zr-Ni 합금이 Enhanced Charge Retention Electrochemical Hydrogen Storage Alloys and an Enhanced Charge Retention Electrochemical Cell로 명명된, 일반적으로 선임된(commonly assigned) 미국등록특허 제4,728,586호("'586특허")에 기술되어 있고, 이의 개시가 참고로 포함되었다. Based on the principle expressed in Ovshinsky's '597 patent, an Ovonic Ti-V-Zr-Ni type active material is disclosed in U.S. Patent No. 4,551,400 ("' 400 patent") to Sapru, Fetcenko, and the like. Is included for reference. This second species of Ovonic substance reversibly forms hydroxides to store hydrogen. All materials used in the '400 patent utilize a Ti-V-Ni composition, where at least Ti, V, and Ni are present with at least one Cr, Zr, and Al. The materials of the '400 patent are generally polyphase polycrystalline materials, which include, but are not limited to, phases of one or more Ti-V-Zr-Ni materials with crystal structures of C 14 and C 15 forms. Another commonly assigned U.S. Pat.No. 4,728,586 ("'586 patent"), named Ovonic Ti-V-Zr-Ni alloys, is Enhanced Charge Retention Electrochemical Hydrogen Storage Alloys and an Enhanced Charge Retention Electrochemical Cell. And its disclosure is incorporated by reference.

금속 전해질 경계면의 특징적인 표면 거칠음(surface roughness)는 Reichman, Venkatesan, Fetcenko, Jeffries, Stahl, 및 Bennet의 일반적으로 선임된 미국등록특허 제4,716,088호에 개시된 것처럼 물질의 무질서한 성질의 결과이다. 상기 특허의 개시가 참고로 포함되었다.Characteristic surface roughness of the metal electrolyte interface is a result of the disordered nature of the material as disclosed in generally assigned US Pat. No. 4,716,088 to Reichman, Venkatesan, Fetcenko, Jeffries, Stahl, and Bennet. The disclosure of this patent is incorporated by reference.

많은 합금들 및 그것들의 상들 외에, 모든 구성 원소들이 금속의 전역에 걸쳐 존재하기 때문에, 그것들은 또한 표면 및 금속/전해질 경계면에 형성되는 크랙(crack)에서 나타난다. 따라서, 특징적인 표면 거칠음은 알칼리 환경에서, 합금 및, 합금의 결정학적인 상(crystallographic phases) 외에 주인 금속의 물리적 화학적 성질의 상호작용을 기술하고 있다. 수소 저장 합금 물질 내의 각 상의 미세한 화학적, 물리적, 및 결정학적 파라미터(crystallographic parameters)가 그것의 거시적인 전기화학적 특성을 결정하는데 있어서 중요하다.In addition to many alloys and their phases, because all the constituent elements are present throughout the metal, they also appear in cracks that form on the surface and metal / electrolyte interface. Thus, characteristic surface roughness describes the interaction of the alloy and the physical and chemical properties of the master metal in addition to the crystallographic phases of the alloy in an alkaline environment. The fine chemical, physical, and crystallographic parameters of each phase in the hydrogen storage alloy material are important in determining its macroscopic electrochemical properties.

거친 표면의 물리적 성질 외에, V-Ti-Zr-Ni 형 합금이 정상 상태의 표면 조건 및 입자 크기에 도달하려는 경향이 있다는 것이 관찰되었다. 이 정상 상태의 표면 조건은 비교적 높은 농도의 금속 니켈에 의해 특징지워진다. 이러한 관찰은 침전을 통한 표면으로부터의 티타늄 및 지르코늄 산화물의 비교적 높은 제거 속도, 그리고 훨씬 낮은 니켈 용해 속도와 일치한다. 결과로서 생기는 표면은 음 수소 저장 전극의 벌크 조성물로부터 기대되는 것 보다 더 높은 니켈 농도를 갖는다. 금속 상태의 니켈은 전기적으로 전도성이고 촉매성이며, 이러한 특성을 상기 표면에 부 여한다. 결과적으로, 음 수소 저장 전극의 표면은 상기 표면이 더 높은 농도의 절연 산화물을 포함하는 것 보다 더 촉매성이고 전도성이다. In addition to the physical properties of the rough surface, it was observed that the V-Ti-Zr-Ni type alloys tend to reach steady state surface conditions and particle sizes. This steady state surface condition is characterized by a relatively high concentration of metallic nickel. This observation is consistent with the relatively high removal rates of titanium and zirconium oxides from the surface through precipitation, and much lower nickel dissolution rates. The resulting surface has a higher nickel concentration than would be expected from the bulk composition of the negative hydrogen storage electrode. Nickel in the metallic state is electrically conductive and catalytic and imparts this property to the surface. As a result, the surface of the negative hydrogen storage electrode is more catalytic and conductive than that surface contains a higher concentration of insulating oxide.

전도성이고 촉매성인 원소--금속 니켈--를 갖는 음전극의 표면은 빠른 가스 재결합을 촉진하는 외에 전기화학적 충전 및 방전 반응 단계를 촉매화하는데 있어서 금속 수산화물 합금과 상호작용한다. The surface of the negative electrode having a conductive and catalytic element--metal nickel--interacts with the metal hydroxide alloy in catalyzing the electrochemical charge and discharge reaction steps in addition to promoting rapid gas recombination.

마지막으로, 마국등록특허 제5,616,432('432특허)에서 Ovonic Battery Company의 발명자들은 본 발명의 복합 수소 저장 물질의 베이스 합금과 유사한 Mg-Ni-Co-Mn 합금을 제조하였다. 이러한 합금의 저장 용량은 약 2.7 중량%에 한정되었고 저장된 수소의 어느 것도 30℃에서 상기 합금으로부터 탈착되지 않았다. 도 1은 '432특허의 박막 합금(참조 심볼 △)의 PCT 곡선을 본 복합 수소 저장 물질(참조 심볼 ◆)의 PCT 곡선과 함께 도시한다. 보여질 수 있는 바와 같이, 본 발명의 수소 저장 복합 물질은 수소 4 중량% 이상을 흡착하며, 훨씬 더 주목할 만한 것은 이 수소가 30℃의 온도에서 탈착될 수 있다는 것이다.Finally, the inventors of Ovonic Battery Company in the patent registration No. 5,616,432 ('432 patent) produced a Mg-Ni-Co-Mn alloy similar to the base alloy of the composite hydrogen storage material of the present invention. The storage capacity of this alloy was limited to about 2.7% by weight and none of the stored hydrogen was desorbed from the alloy at 30 ° C. Figure 1 shows the PCT curve of the thin film alloy (reference symbol Δ) of the '432 patent along with the PCT curve of the composite hydrogen storage material (reference symbol ◆). As can be seen, the hydrogen storage composite material of the present invention adsorbs at least 4% by weight of hydrogen, and even more noteworthy is that this hydrogen can be desorbed at a temperature of 30 ° C.

본 발명은 불용해성 촉매 물질을 사용하여 비교적 순수한 Mg 물질에서의 수소 흡착/탈착을 촉진하고 몇가지 그레인 성장 저해제를 참가함으로써 고용량 Mg계 물질의 탈착온도를 감소시키기 위하여 촉매작용을 사용한다.The present invention uses catalysis to reduce the desorption temperature of high capacity Mg based materials by promoting hydrogen adsorption / desorption on relatively pure Mg materials using insoluble catalyst materials and by incorporating several grain growth inhibitors.

본 발명은 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 포함하는 마그네슘계 수소 저장 물질; 및 상기 마그네슘계 수소 저장 합금에 용해되지 않으며 하기의 형태로 있는 수소 탈착 촉매를 제공한다: 1) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 벌크 내에서의 촉매 물질의 불연속적인 분산된 영역; 2) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 입자 표면상에서의 불연속적인 분산된 영역; 3) 벌크 내 또는 입자 형태로 있는 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 표면상에서의 촉매 물질의 연속적이거나 반연속적인 층; 또는 4) 그것들의 조합. 바람직하게는, 마그네슘계 수소 저장 합금은 적어도 80 원자 퍼센트 마그네슘을 포함하며 알루미늄을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 수소 탈착 촉매는 철을 포함하고, B, Cu, Pd, V, Ni, C, Mn, Zr, Rb, Nb, Ti,U, 및 Sc으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함할 수 있다.The present invention provides a magnesium-based hydrogen storage material, including magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy; And a hydrogen desorption catalyst insoluble in the magnesium based hydrogen storage alloy and in the following form: 1) discontinuous dispersed regions of catalytic material in the bulk of the magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy; 2) discontinuous dispersed regions on the particle surface of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy; 3) a continuous or semicontinuous layer of catalytic material on the surface of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy in bulk or in particle form; Or 4) combinations thereof. Preferably, the magnesium-based hydrogen storage alloy comprises at least 80 atomic percent magnesium and may comprise aluminum. Preferably, the hydrogen desorption catalyst comprises iron and further comprises one or more elements selected from the group consisting of B, Cu, Pd, V, Ni, C, Mn, Zr, Rb, Nb, Ti, U, and Sc can do.

본 발명은 마그네슘계 수소 저장 물질을 제조하는 방법을 더 포함한다. 이와 같은 방법 중 하나는 하기를 포함한다: a) 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 수소 탈착 촉매의 분말을 혼합하는 단계; b) 혼합된 분말을 콤팩트(compact)로 압착하는 단계; 및 c) 450℃ 및 600℃ 사이의 온도에서 상기 콤팩트를 소결/어닐링하는 단계. 바람직하게는, 상기 소결/어닐링하는 단계는 적어도 10시간 동안 수행된다.The invention further includes a method of making a magnesium-based hydrogen storage material. One such method includes: a) mixing a powder of a magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy with a powder of a hydrogen desorption catalyst; b) compacting the mixed powder into a compact; And c) sintering / annealing the compact at a temperature between 450 ° C and 600 ° C. Preferably, the sintering / annealing step is carried out for at least 10 hours.

이와 같은 방법 중 다른 하나는 하기를 포함한다: a) 보호 분위기에서 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 수소 탈착 촉매의 분말의 용융물(melt)을 형성하는 단계; b) 용융된 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서의 수소 탈착 촉매의 불용해성 분말의 현탁액을 확보하기 위하여 상기 용융물을 교반시키는 단계; 및 c) 수소 탈착 촉매의 현탁된 불용성 분말이 응고된 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서 잘 분포되도록 상기 교반된 용융물을 급속하게 냉각시키는 단계.Another such method includes: a) forming a melt of powder of magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and powder of hydrogen desorption catalyst in a protective atmosphere; b) stirring the melt to ensure a suspension of the insoluble powder of the hydrogen desorption catalyst in the molten magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy; And c) rapidly cooling the stirred melt such that the suspended insoluble powder of the hydrogen desorption catalyst is well distributed in the solidified magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy.

또 다른 방법은 하기를 포함한다: a) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 상기 수소 탈착 촉매의 분말을 혼합하는 단계; 및 b) 상기 수소 탈착 촉매의 분말 입자들이 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말 입자의 적어도 표면에 박히도록(imbedded) 마모기(attritor) 내에서 상기 혼합물을 기계적으로 합금시키는 단계. 바람직하게는, 헵탄과 탄소 분말이 상기 혼합물의 기계적인 합금 중에 분쇄 보조제(grinding aids)로 사용된다.Another method includes: a) mixing a powder of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and a powder of the hydrogen desorption catalyst; And b) mechanically alloying the mixture in an attritor such that the powder particles of the hydrogen desorption catalyst are imbedded on at least the surface of the powder particles of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy. Preferably, heptane and carbon powder are used as grinding aids in the mechanical alloy of the mixture.

더 이상의 방법은 하기를 포함한다: a) 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계; 및 b) 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 표면상에, 증착, 전해 코팅, 또는 무전해 코팅에 의해 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층을 침적시키는 단계. 바람직하게는, 상기 코팅은 상기 촉매 물질의 증발에 의해 형성되며 약 100Å 두께이다.Further methods include: a) providing bulk or particulate magnesium or magnesium based hydrogen storage alloys; And b) depositing a continuous or semicontinuous layer of catalytic material on the surface of the bulk or particulate magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy by vapor deposition, electrolytic coating, or electroless coating. Preferably, the coating is formed by evaporation of the catalyst material and is about 100 mm thick.

상기 촉매는 상기 기술들을 조합함으로써 복합적인 방법으로 분포될 수 있다. 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금은 하기에 의해 제조될 수 있다: a) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 용융물을 형성하는 단계; 및 b) 벌크 급속 냉각법에 의해 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 급속하게 냉각시키는 단계. 유용한 벌크 급속 냉각법은 용융 스피닝(melt spinning), 원심 원자화(centrifugal atomization), 가스 미립화(gas atomization), 또는 수 미립화(water atomization)를 포함한다. The catalyst can be distributed in a complex manner by combining the above techniques. Bulk or particulate magnesium or magnesium based hydrogen storage alloys may be prepared by: a) forming a melt of the magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy; And b) rapidly cooling said magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy by a bulk rapid cooling method. Useful bulk rapid cooling methods include melt spinning, centrifugal atomization, gas atomization, or water atomization.

도 1은 진공하에서 22시간 동안 500℃ 이상의 온도에서 압착되고 소결된 순수한 금속 분말로 만들어진 본 발명의 수소 저장 물질의 백 스캐터링 모드에서 취해진 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.1 is a scanning electron micrograph (SEM) taken in the back scattering mode of the hydrogen storage material of the present invention made of pure metal powder compacted and sintered at temperatures above 500 ° C. for 22 hours under vacuum.

도 2는 도 1의 물질의 X선 회절 패턴이다.2 is an X-ray diffraction pattern of the material of FIG. 1.

도 3은 240℃에서 측정된 도 1의 물질에 대한 압력-농도-등온선(PCT) 곡선의 플롯이다.3 is a plot of the pressure-concentration-isothermal (PCT) curve for the material of FIG. 1 measured at 240 ° C.

도 4는 다양한 온도에서 도 1의 물질의 퍼센트 수소 흡수 대 시간(즉, 흡수 속도)을 도시한다.4 shows the percent hydrogen uptake versus time (ie, rate of absorption) of the material of FIG. 1 at various temperatures.

도 5는 240℃에서 도 1의 물질의 탈착된 수소의 퍼센트 대 시간(즉, 탈착 속도)을 도시한다.FIG. 5 shows the percent of hydrogen desorbed versus time (ie, desorption rate) of the material of FIG. 1 at 240 ° C. FIG.

도 6은 도 1의 조성과 같은 조성을 가지지만, 각각 570 및 600℃에서 소결되고/어닐링된 시료의 PCT 곡선을 도시한다.FIG. 6 shows a PCT curve of a sample having the same composition as that of FIG. 1 but sintered / annealed at 570 and 600 ° C., respectively.

도 7은 도 1의 물질과 같은 조성을 가지지만, 기계적 합금에 의해 형성되는 본 발명에 따른 또 다른 물질의 SEM 백 스캐터링 현미경 사진이다.FIG. 7 is an SEM back scattering micrograph of another material according to the present invention having the same composition as the material of FIG. 1 but formed by a mechanical alloy.

도 8은 도 7의 물질의 XRD 플롯이다.8 is an XRD plot of the material of FIG. 7.

도 9는 240℃에서 측정된 도 7의 물질의 PCT 곡선의 플롯이다.9 is a plot of the PCT curve of the material of FIG. 7 measured at 240 ° C. FIG.

도 10은 240℃, 210℃, 180℃, 및 150℃에서 도 7의 물질의 PCT 흡수 곡선을 도시한다.FIG. 10 shows the PCT absorption curves of the materials of FIG. 7 at 240 ° C., 210 ° C., 180 ° C., and 150 ° C. FIG.

도 11은 본 발명에 따른 물질을 제조하기 위해 사용되는 매우 균일한 Mg-Al 합금의 용융 회전된 리본(melt spun ribbon)의 횡단면의 SEM 백 스캐터링된 현미경 사진이다.FIG. 11 is an SEM back scattered micrograph of the cross section of a melt spun ribbon of a very uniform Mg-Al alloy used to make the material according to the present invention.

도 12는 150℃에서 본 발명에 따른 수소 저장 물질의 PCT 플롯을 보여주며, 상기 물질은 기계적으로 합금되어 확장된 니켈 기판 위로 평평하게 압착되고 철의 양 측면상에 100Å으로 코팅되는 도 1의 물질을 사용하여 제조된다.FIG. 12 shows a PCT plot of the hydrogen storage material according to the invention at 150 ° C., which is mechanically alloyed and pressed flat on an expanded nickel substrate and coated with 100 kPa on both sides of iron. It is prepared using.

도 13은 다양한 온도에서 도 1, 7, 및 12의 물질에 대한 최대 가역 수소 저장 용량의 비교 플롯이다.13 is a comparative plot of the maximum reversible hydrogen storage capacity for the materials of FIGS. 1, 7, and 12 at various temperatures.

도 14는 도 1의 물질의 조성을 생성하기 위해 요구되는 원소 금속 분말을 유도 용융 및 캐스팅함으로써 제조된 주괴(ingot)의 횡단면의 SEM 현미경 사진인데, 불용성의 물질을 현탁시키기 위해 상기 용융물을 연속적으로 교반시킨다.FIG. 14 is an SEM micrograph of a cross section of an ingot prepared by induction melting and casting of the elemental metal powder required to produce the composition of the material of FIG. 1, with continuous stirring of the melt to suspend the insoluble material. Let's do it.

도 15는 본 발명의 다양한 처리 방법에 의해 제조된 수소 저장 분말 물질의 미세 구조의 개략적인 플롯이다.15 is a schematic plot of the microstructure of a hydrogen storage powder material produced by various treatment methods of the present invention.

본 발명자들은 Mg 내지 Mg계 합금에 매우 낮은 용해도를 갖는 철 및/또는 기타 원소들이 합금 내에서 Mg 또는 Mg계 결정의 그레인 성장을 저지하고 이와 같은 Mg 물질로부터 수소의 탈착을 촉매화한다는 사실을 밝혀냈다. 따라서, 본 발명은 수소 탈착이 철 및/또는 상기 마그네슘계 수소 저장 물질에 실질적으로 불용성인 기타 원소들에 의해 촉매화되는 마그네슘계 수소 저장 물질을 제공한다. 불용성 촉매 물질은 하기의 형태로 될 수 있다: 1) 수소 저장 물질 벌크 내에서의 촉매 물질의 불연속적인 분산된 영역; 2) 수소 저장 물질의 입자 표면상에 불연속적인 분산된 영역; 3) 벌크 또는 미립자 수소 저장 물질의 표면상에서의 촉매 물질의 연속적 이거나 반연속적인 층; 또는 4) 그것들의 조합. 촉매 물질은 특별한 급속 냉각법; 또는 기계적 합금 방법에 의해 합금 공정 중에 첨가될 수 있다; 촉매 물질은 또한 열 증발, 마그네틱 스퍼터링과 같은 공정, 또는 전해 또는 무전해 도금 방법에 의해 마그네슘계 합금의 표면에 도포될 수 있다.The inventors have found that iron and / or other elements with very low solubility in Mg to Mg based alloys inhibit grain growth of Mg or Mg based crystals in the alloy and catalyze the desorption of hydrogen from such Mg materials. . Accordingly, the present invention provides a magnesium-based hydrogen storage material in which hydrogen desorption is catalyzed by iron and / or other elements that are substantially insoluble in the magnesium-based hydrogen storage material. The insoluble catalyst material may be in the form of: 1) discontinuous dispersed regions of the catalyst material in the hydrogen storage material bulk; 2) discrete discrete regions on the particle surface of the hydrogen storage material; 3) a continuous or semicontinuous layer of catalytic material on the surface of the bulk or particulate hydrogen storage material; Or 4) combinations thereof. Catalytic materials include special rapid cooling methods; Or during the alloying process by a mechanical alloying method; The catalytic material may also be applied to the surface of the magnesium-based alloy by processes such as thermal evaporation, magnetic sputtering, or by electrolytic or electroless plating methods.

Mg에 거의 고체 용해도를 갖지 않는 원소들이 그레인 성장 저해제/탈착 촉매로서 사용될 수 있다. 특정 후보들은 Fe(%로 0.00043의 용해도를 가짐), Rb(%로 0.05 미만의 용해도를 가짐), Nb, Ti, V, 및 U를 포함한다. 게다가, 마그네슘 내에서 제한된 고체 용해도를 갖는 원소들은 입계 결정 성장 저해 물질(grain boundary crystallite growth inhibiting material)을 형성하기 위해 상기 원소들을 갖는 금속간 화합물의 부분으로서 사용될 수 있다. 후보들은 Mn(Mg 내에서 %로 용해도= 0.99) 및 Zr(Mg 내에서 %로 용해도= 1.042)을 포함한다.Elements that have little solid solubility in Mg can be used as grain growth inhibitors / desorption catalysts. Specific candidates include Fe (having a solubility of 0.00043 in%), Rb (having a solubility of less than 0.05 in%), Nb, Ti, V, and U. In addition, elements with limited solid solubility in magnesium can be used as part of an intermetallic compound having such elements to form grain boundary crystallite growth inhibiting material. Candidates include Mn (solubility in% in Mg = 0.99) and Zr (solubility in% in Mg = 1.042).

실시예Example 1 One

마그네슘(99.8%,-325 메쉬), 알루미늄(99.5%,-325 메쉬), 철(99.9+%, 10 마이크론), 및 기타 미량 성분의 순수한 금속 분말로 이루어진 원료 물질을 애가트 분쇄-막자(agate mortar-pestle)에서 혼합하였다. 10개의 다른 조성물을 제조하였고, 그것들의 조성을 중량%로 표 1에 나타내었다. 상기 혼합된 분말을 직경 1cm 및 길이 1cm의 펠렛으로 압착하기 위해 경화된 강철 다이(hardened steel die)를 사용하였다. 압착된 펠렛을 수정 튜브에 위치시키고 진공하에서 22시간 동안 500℃ 이상의 온도에서 소결시켰다.Agate grind-molecules consisted of raw material consisting of pure metal powder of magnesium (99.8%, -325 mesh), aluminum (99.5%, -325 mesh), iron (99.9 +%, 10 microns), and other trace components. mortar-pestle). Ten different compositions were prepared and their compositions are shown in Table 1 in weight percent. A hardened steel die was used to squeeze the mixed powder into pellets 1 cm in diameter and 1 cm in length. The compacted pellets were placed in quartz tubes and sintered under vacuum at temperatures above 500 ° C. for 22 hours.

표 1. 화학 조성(모든 숫자는 중량%로 있다) Table 1. Chemical Composition (all numbers are in weight percent)

합금 번호Alloy number MgMg AlAl FeFe BB CuCu PdPd VV NiNi CC ScSc MM-1MM-1 88.888.8 2.72.7 8.58.5 -- -- -- -- -- -- -- MM-2MM-2 8787 33 99 1One -- -- -- -- -- -- MM-3MM-3 8686 33 99 22 -- -- -- -- -- -- MM-4MM-4 8686 33 99 -- 22 -- -- -- -- -- MM-5MM-5 8787 33 66 -- 44 -- -- -- -- -- MM-6MM-6 8787 33 88 -- -- 22 -- -- -- -- MM-7MM-7 8787 33 88 -- -- -- 22 -- -- -- MM-8MM-8 8787 -- 99 -- -- -- -- 44 -- -- MM-9MM-9 8787 -- 99 -- -- -- -- -- 44 -- MM-10MM-10 8787 33 77 -- -- -- -- -- -- 33

도 1은 500℃에서 소결되고 어닐링된 MM-1 시료의 백 스캐터링 모드에서 취해진 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다. SEM은 주된 Mg 매트릭스에 박힌(imbedded) Fe 및 Al5Fe2 금속간 화합물의 상 분리를 나타낸다. Fe 및 Fe-풍부 상들은 직경이 약 수 마이크론이고 접근성(proximity)은 약 10-20 마이크론이다. 도 2는 Rigaku Mini Flex 상에 기록된 상기 시료의 X선 회절 패턴이다. 그것은 주된 Mg 상과 Fe 및 FeAl의 공존을 명확하게 나타낸다.1 is a scanning electron micrograph (SEM) taken in the back scattering mode of a MM-1 sample sintered and annealed at 500 ° C. SEM shows phase separation of Fe and Al 5 Fe 2 intermetallic compounds embedded in the main Mg matrix. Fe and Fe-rich phases are about several microns in diameter and proximity is about 10-20 microns. 2 is an X-ray diffraction pattern of the sample recorded on the Rigaku Mini Flex. It clearly shows the coexistence of Fe and FeAl with the main Mg phase.

도 3은 240℃에서 측정된 상기 물질에 대한 압력-농도-등온선(PCT) 곡선의 플롯이다. 보여질 수 있는 것처럼, 매우 평평한 플래토 압력(plateau pressure)이 1800 Torr 주변에서 발견되었다. 전체적인 흡수/탈착은 수소 5 wt.%에서 최대 용량을 가지며 가역적이다. 도 4는 다양한 온도에서 MM-1 합금 물질에 대한 퍼센트 수소 흡수 대 시간(즉, 흡수 속도)을 도시한다. 도 4에 나타내어진 바와 같이, 온도가 증가할 때 흡수 동력학은 개선된다. 또한 보여질 수 있는 바와 같이, 흡수 온도가 너무 높으면 최대 저장 용량은 감소될 수 있다(270℃에서의 시료를 참조하라). 따라서, 최적화된 흡수 온도를 찾는 것은 동력학과 저장 용량 사이의 밸런스인 것 같다. MM-1 물질에 대해, 약 240℃의 흡수 온도가 가장 최적이라는 사실을 발견하였다. 120-150 PSI에서 최대 수소 공급 압력으로, 수소의 90% 이상이 2 시간내에 흡수되었다. 수소 전달 압력이 높아지면, 흡수 공정 시간이 더 감소될 것이다. 도 5는 240℃에서 MM-1의 탈착된 수소의 퍼센트 대 시간(즉, 탈착 속도)를 도시한다. 이 온도에서, 수소의 90%가 1시간내에 방출되었다.3 is a plot of the pressure-concentration-isothermal (PCT) curve for the material measured at 240 ° C. As can be seen, a very flat plateau pressure was found around 1800 Torr. Overall absorption / desorption has a maximum capacity at 5 wt.% Hydrogen and is reversible. 4 shows the percent hydrogen uptake versus time (ie, uptake rate) for MM-1 alloy materials at various temperatures. As shown in Figure 4, the absorption kinetics improves as the temperature increases. As can also be seen, the maximum storage capacity can be reduced if the absorption temperature is too high (see sample at 270 ° C.). Thus, finding an optimal absorption temperature seems to be a balance between kinetics and storage capacity. For MM-1 materials, it was found that an absorption temperature of about 240 ° C. was most optimal. At the maximum hydrogen supply pressure at 120-150 PSI, more than 90% of the hydrogen was absorbed within 2 hours. Higher hydrogen transfer pressures will further reduce the absorption process time. 5 shows the percent of time desorbed hydrogen of MM-1 versus time (ie, desorption rate) at 240 ° C. At this temperature, 90% of hydrogen was released in 1 hour.

실시예Example 2 2

소결/어닐링 온도를 변화시켜 또 다른 MM-1 물질을 실시예 1에서 설명된 공정에 의해 제조하였다. 도 6은 각각 570 및 600℃에서 소결되고/어닐링된 시료의 PCT 곡선을 도시한다. 570℃에서 소결되고/어닐링된 물질의 PCT는 (500℃에서 소결되고/어닐링된) 실시예 1의 물질의 PCT로부터 거의 편차를 보여주지 않지만, 600℃에서 소결되고/어닐링된 물질은 약간 높은 압력에서 확장된 플래토를 제공한다.Another MM-1 material was prepared by the process described in Example 1 by varying the sinter / anneal temperature. 6 shows PCT curves of samples sintered / annealed at 570 and 600 ° C., respectively. The PCT of the material sintered / annealed at 570 ° C. shows little deviation from the PCT of the material of Example 1 (sintered / annealed at 500 ° C.), but the material sintered / annealed at 600 ° C. has a slightly higher pressure. Provides extended plateaus.

실시예Example 3 3

순수 원소 마그네슘(99.8%,-325 메쉬), 알루미늄(99.5%,-325 메쉬), 및철(99.9+%, 10 마이크론)의 혼합물로부터 기계적으로 합금된(MA) MM-1의 분말을 제조하였다. Cr-강철 분쇄 볼이 적재된 마모기안에서 밀링을 수행하였다. 1% 그라파이트 및 헵탄의 첨가와 함께 아르곤 분위기하에서 기계적 합금 공정을 수행하여 물질이 마모기 벽에 들러붙는 것을 방지하였다. 일반적인 밀링 시간은 2시간이었다. 도 7은 이 시료의 SEM 백 스캐터링 현미경 사진이다. 본 도면은 상기 물질 내에서 심각한 상 분리(phase segregation)를 나타낸다. 영역 1(도면에서 밝은 콘트라스트)은 Fe 및 Al 분말로 채워진다. 반면에, 영역 2(중앙의 더 어두운 지역)는 모두 마그네슘이다. 도 8은 이 시료의 XRD 플롯이고, 이 공정에 의해 형성된 비정질의 금속간 제품의 표시를 보여주지 않는다. MA-MM-1 분말을 확장된 니켈 금속 기판 상에 압착하고 이후 표면 촉매작용으로써 철 100Å으로 양 측면을 코팅하였다. A powder of mechanically alloyed (MA) MM-1 was prepared from a mixture of pure elemental magnesium (99.8%, -325 mesh), aluminum (99.5%, -325 mesh), and iron (99.9 +%, 10 microns). Milling was performed in a wear machine loaded with Cr-steel milling balls. A mechanical alloying process was performed under argon with the addition of 1% graphite and heptane to prevent material from sticking to the wearer wall. Typical milling time was 2 hours. 7 is an SEM back scattering micrograph of this sample. This figure shows severe phase segregation in the material. Region 1 (bright contrast in the figure) is filled with Fe and Al powders. On the other hand, region 2 (the darker region in the center) is all magnesium. 8 is an XRD plot of this sample and does not show an indication of the amorphous intermetallic product formed by this process. The MA-MM-1 powder was pressed onto an expanded nickel metal substrate and then coated on both sides with 100 kPa of iron by surface catalysis.

도 9는 240℃에서 측정한 MA-MM-1에 대한 PCT 곡선의 플롯이다. 압력 플래토(pressure plateau)는 Mg-저장 상 및 Fe-촉매 상 사이의 변화된 거리 때문에 소결된 MM-1의 압력 플래토 보다 높다. 최대 수소 저장 용량은 5.0에서부터 5.7%까지 증가하였고 수소는 240℃에서 충분히 탈착되었다. 도 10은 240℃, 210℃, 180℃, 및 150℃에서 MA-MM-1 시료의 PCT 흡수 곡선을 도시한다. 플래토 압력은 온도에 따라 증가한다. 이 현상은 열-평형 고려로부터 예상되는 것이다. 그러나, 최대 저장 용량은 온도의 감소에 따라 감소한다. 이 특성은 열-평형 모델과 일치하지 않는다. 우리는 이 변칙성(abnormality)이 흡수 동력학상의 온도의 영향 때문이라고 믿는다. 즉, 특정 시간 제약 내에서 PCT 분석을 수행하였고 따라서 더 낮은 온도에서 충분한 수소 저장 용량을 과소 평가하였을 수 있다. 평형을 이루기 위해 더 많은 시간을 이용할 수 있었다면, 이러한 더 낮은 온도에서 측정한 것 보다 더 높은 최대 용량을 달성할 수 있다.9 is a plot of the PCT curve for MA-MM-1 measured at 240 ° C. The pressure plateau is higher than the pressure plateau of sintered MM-1 due to the changed distance between the Mg-storage phase and the Fe-catalyst phase. Maximum hydrogen storage capacity increased from 5.0 to 5.7% and hydrogen was desorbed sufficiently at 240 ° C. FIG. 10 shows PCT absorption curves of MA-MM-1 samples at 240 ° C., 210 ° C., 180 ° C., and 150 ° C. FIG. The plateau pressure increases with temperature. This phenomenon is expected from heat-balance considerations. However, the maximum storage capacity decreases with decreasing temperature. This property is inconsistent with the thermal equilibrium model. We believe that this abnormality is due to the effect of temperature on absorption kinetics. In other words, PCT analysis was performed within certain time constraints, thus underestimating sufficient hydrogen storage capacity at lower temperatures. If more time was available to balance, higher peak capacities could be achieved than measured at these lower temperatures.

실시예Example 4 4

MM-1의 설계된 조성을 갖는 원료 물질을 추가적인 플럭스와 함께 공기 작동식 유도로(air-operated induction furnace)에 넣어 표면을 대기로부터 격리하고 금속 액체로부터의 과잉 마그네슘 증발을 방지하였다. 여분의 아르곤 가스를 격리 블랭킷(isolation blanket)으로써 도가니(crucible)에 공급하여 용융된 금속의 산 화를 방지하였다. 상기 도가니 내의 모든 성분들을 용융시킨 후에, 상기 용융물을 주형에 비스듬히 쏟아 붓고 실온까지 천천히 냉각시켰다. 결과로서 생기는 주괴의 조성을 유도 결합 플라즈마(ICP) 분석에 의해 검사하였고 미량의 철도 검출되지 않았다. 이 비교예로부터, 종래의 유도 용융 기술은 Mg 벌크 내에 철을 포함할 수 없다는 사실을 알 수 있다.Raw materials with the designed composition of MM-1, along with additional flux, were placed in an air-operated induction furnace to isolate the surface from the atmosphere and to prevent excess magnesium evaporation from the metal liquid. Extra argon gas was supplied to the crucible as an isolation blanket to prevent oxidation of the molten metal. After melting all the components in the crucible, the melt was poured obliquely into the mold and allowed to cool slowly to room temperature. The resulting composition of the ingot was examined by inductively coupled plasma (ICP) analysis and no traces of railroad were detected. From this comparative example, it can be seen that conventional induction melting techniques cannot include iron in the Mg bulk.

상기로부터의 Mg-Al 주괴를 바텀-포어드 용융-스피닝 머신(bottom-poured melt-spinning machine)에 위치시켰다. 온도를 용융점(melting point) 이상으로 올린 후에, 액체를 수냉 구리 휠(water-cooled copper wheel)로 주입하여 긴 리본으로 변화시켰다. 도 11은 리본 횡단면의 SEM 백스캐터링된 현미경 사진으로서, 이는 매우 균일한 Mg-Al 합금을 보여준다. 이후, 리본을 작은 조각으로 잘라서 실시예 3에 설명된 것과 동일한 MA 공정을 위한 마모기에 위치시켰다. 다음에, 분쇄된 분말을 Ni 확장된 금속 기판(Ni expanded metal substrate)상에 압착하고 Fe 100 Å으로 양면을 코팅하였다. The Mg-Al ingot from above was placed in a bottom-poured melt-spinning machine. After raising the temperature above the melting point, the liquid was injected into a water-cooled copper wheel to change into a long ribbon. FIG. 11 is an SEM backscattered micrograph of the ribbon cross section showing a very uniform Mg-Al alloy. Thereafter, the ribbon was cut into small pieces and placed in a wear device for the same MA process as described in Example 3. Next, the ground powder was pressed onto a Ni expanded metal substrate and coated on both sides with Fe 100 mm 3.

MS+MA-MM-1는 비교적 낮은 온도에서 매우 양호한 탈착 동력학을 보여준다. 도 12는 150℃에서 측정된 이 시료의 PCT 플롯을 보여준다. 관찰된 흡수/탈착 압력 히스테리시스(hysterisis)는 낮은 측정 온도에 기인한다. 그럼에도 불구하고, 250 torr에서 탈착 플래토는 매우 흥미롭다. 도 13은 다양한 온도에서 세 개의 다른 공정들(즉, 소결, MA-only, MS + MA) 에 대한 최대 가역 수소 저장 용량을 비교한다. MS + MA 공정은 Fe 상(Fe phase)의 비균일 분포 때문에 가장 낮은 탈착 개시 온도(90℃) 뿐만 아니라 가장 낮은 최대 가역 용량을 부여한다. MA-only 시료는 가장 높은 탈착 개시 온도(150℃)를 보여 주지만 가장 높은 가역 저장 용량을 갖는다.MS + MA-MM-1 shows very good desorption kinetics at relatively low temperatures. 12 shows a PCT plot of this sample measured at 150 ° C. The observed absorption / desorption pressure hysteresis is due to the low measurement temperature. Nevertheless, the desorption plateau at 250 torr is very interesting. FIG. 13 compares the maximum reversible hydrogen storage capacity for three different processes (ie sinter, MA-only, MS + MA) at various temperatures. The MS + MA process gives the lowest desorption onset temperature (90 ° C.) as well as the lowest maximum reversible capacity due to the nonuniform distribution of the Fe phase. The MA-only sample shows the highest desorption onset temperature (150 ° C) but the highest reversible storage capacity.

실시예Example 5 5

MM-1의 예정된 조성을 갖는 원료 물질을 추가적인 플럭스와 함께 공기 작동식 유도로(induction furnace)에 넣어 용융물 표면을 대기로부터 격리하고 금속 액체로부터의 과잉 마그네슘 증발을 방지하였다. 여분의 아르곤 가스를 격리 블랭킷(isolation blanket)으로서 도가니(crucible)에 공급하여 상기 금속의 산화를 방지하였다. 상기 용융된 합금을 수동으로 저어 주어 상기 액체 내에서 혼합되지 않는 FeAl 및 Fe 상들(phases)을 균일하게 현탁시켰다. 상기 액체를 아르곤 보호된 주걱(ladle)을 통해 수냉된 급냉 주형에 비스듬히 쏟아 부어 FeAl 및 Fe 상들을 최종 제품에 포함시켰다. 도 14는 Mg 주인 매트릭스 내의 FeAl 및 Fe 2차상(secondary phase)의 균일한 분포를 나타내는 결과적인 주괴의 횡단면의 SEM 현미경 사진이다. 상기 Fe-함유물은 약 1 마이크론 크기이다. ICP 분석은 상기 주괴 내의 Fe 및 Al의 존재와 일치한다. 2차 교반 코일, 불활성 가스 버블링, 회전 도가니 등과 같은 액체 내에서의 적당한 교반과 함께, 용융 스피닝, 원심 원자화, 가스 미립화, 수 미립화와 같은 기타 벌크 급속 냉각이 유사한 결과에 도달할 수 있다. 도 15는 본 발명의 다양한 처리 방법에 의해 제조된 수소 저장 분말 물질의 미세 구조의 개략적인 도시이다. 모든 방법이 종래 기술 보다 실질적으로 낮은 온도에서 가역적인 수소 저장을 만들 수 있다.A raw material having a predetermined composition of MM-1, along with additional flux, was placed in an air induction furnace to isolate the melt surface from the atmosphere and to prevent excess magnesium evaporation from the metal liquid. Extra argon gas was supplied to the crucible as an isolation blanket to prevent oxidation of the metal. The molten alloy was stirred manually to uniformly suspend FeAl and Fe phases that were not mixed in the liquid. The liquid was poured obliquely into an quenched mold cooled by water through an argon protected ladle to incorporate FeAl and Fe phases into the final product. 14 is a SEM micrograph of the cross section of the resulting ingot showing a uniform distribution of FeAl and Fe secondary phases in the Mg host matrix. The Fe-containing is about 1 micron in size. ICP analysis is consistent with the presence of Fe and Al in the ingot. With moderate agitation in liquids such as secondary stirring coils, inert gas bubbling, rotary crucibles, and the like, other bulk rapid cooling such as melt spinning, centrifugal atomization, gas atomization, water atomization, can achieve similar results. 15 is a schematic illustration of the microstructure of a hydrogen storage powder material produced by various treatment methods of the present invention. All methods can make reversible hydrogen storage at substantially lower temperatures than the prior art.

본 명세서의 도면, 논의, 설명, 및 실시예들은 단순히 발명의 특별한 구현예들을 설명하는 것이고 그 실시상에 한계로써의 의미를 갖는 것은 아니다. 본 발명 의 범위를 정의하는 것은 모든 동등물을 포함하는 하기 청구항들이다.The drawings, discussion, description, and examples herein merely illustrate particular embodiments of the invention and are not meant to be limiting in its practice. It is the following claims, including all equivalents, that define the scope of the invention.

Claims (22)

마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금; 및 수소 탈착 촉매를 포함하는 마그네슘계 수소 저장 물질로서,Magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloys; Magnesium-based hydrogen storage material comprising a hydrogen desorption catalyst, 상기 수소 탈착 촉매는 상기 마그네슘계 수소 저장 합금에 불용해성이고 하기의 형태로 있는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.And the hydrogen desorption catalyst is insoluble in the magnesium-based hydrogen storage alloy and is in the form of magnesium-based hydrogen storage material. 1) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 벌크 내에서의 촉매 물질의 불연속적인 분산된 영역;1) discontinuous dispersed regions of catalytic material in the bulk of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy; 2) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 입자 표면상에 불연속적인 분산된 영역;2) discrete discrete regions on the particle surface of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy; 3) 벌크 또는 미립자 형태인 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 표면상에서의 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층; 또는3) a continuous or semicontinuous layer of catalytic material on the surface of said magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy in bulk or particulate form; or 4) 이것들의 조합.4) a combination of these. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 마그네슘계 수소 저장 합금은 적어도 80 원자 퍼센트의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.And the magnesium-based hydrogen storage alloy comprises at least 80 atomic percent magnesium. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 마그네슘계 수소 저장 합금은 알루미늄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.The magnesium-based hydrogen storage alloy further comprises aluminum. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 탈착 촉매는 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.The hydrogen desorption catalyst is magnesium-based hydrogen storage material, characterized in that containing iron. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 수소 탈착 촉매는 B, Cu, Pd, V, Ni, C, Mn, Zr, Rb, Nb, Ti,U, 및 Sc으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.The hydrogen desorption catalyst further comprises one or more elements selected from the group consisting of B, Cu, Pd, V, Ni, C, Mn, Zr, Rb, Nb, Ti, U, and Sc. Storage material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 탈착 촉매는 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 벌크 내에서의 촉매 물질의 불연속적인 분산된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.And the hydrogen desorption catalyst comprises a discontinuous dispersed region of catalyst material in the bulk of the magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 마그네슘계 수소 저장 물질은, The magnesium-based hydrogen storage material, a) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 상기 수소 탈착 촉매의 분말을 혼합하는 단계; a) mixing the powder of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and the powder of the hydrogen desorption catalyst; b) 상기 혼합된 분말을 콤팩트(compact)로 압착하는 단계; 및 b) compacting the mixed powder into a compact; And c) 450℃ 및 600℃ 사이의 온도에서 상기 콤팩트를 소결/어닐링하는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질: c) a magnesium-based hydrogen storage material formed by sintering / annealing the compact at a temperature between 450 ° C. and 600 ° C .: 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 소결/어닐링 하는 단계는 적어도 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질. And the sintering / annealing step is performed for at least 10 hours. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 마그네슘계 수소 저장 물질은, The magnesium-based hydrogen storage material, a) 보호 분위기에서 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 상기 수소 탈착 촉매의 분말의 용융물을 형성하는 단계; a) forming a melt of the powder of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and the powder of the hydrogen desorption catalyst in a protective atmosphere; b) 상기 용융된 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서 상기 수소 탈착 촉매의 불용해성 분말의 현탁액을 확보하기 위하여 상기 용융물을 교반시키는 단계; 및 b) stirring the melt to ensure a suspension of the insoluble powder of the hydrogen desorption catalyst in the molten magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy; And c) 상기 수소 탈착 촉매의 현탁된 불용성 분말이 응고된 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서 잘 분포되도록 상기 교반된 용융물을 급속하게 냉각시키는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.c) rapidly cooling the stirred melt such that the suspended insoluble powder of the hydrogen desorption catalyst is well distributed in the solidified magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 탈착 촉매는 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 입자 표면상에 불연속적인 분산된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.And the hydrogen desorption catalyst comprises a discrete dispersed region on the particle surface of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 마그네슘계 수소 저장 물질은, The magnesium-based hydrogen storage material, a) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 상기 수소 탈착 촉매의 분말을 혼합하는 단계; 및a) mixing the powder of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and the powder of the hydrogen desorption catalyst; And b) 상기 수소 탈착 촉매의 분말 입자들이 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말 입자의 적어도 표면에 박히도록(imbedded) 마모기(attritor) 내에서 상기 혼합물을 기계적으로 합금시키는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.b) mechanically alloying the mixture in an attritor such that the powder particles of the hydrogen desorption catalyst are imbedded on at least the surface of the powder particles of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy. Magnesium-based hydrogen storage material characterized in that. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 헵탄 및 탄소 분말이 상기 혼합물의 기계적 합금 동안에 분쇄 보조제로서 사용되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.Magnesium-based hydrogen storage material, characterized in that heptane and carbon powder are used as grinding aids during the mechanical alloying of the mixture. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소 탈착 촉매는 벌크 또는 미립자 형태인 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 표면상에서의 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.And said hydrogen desorption catalyst comprises a continuous or semicontinuous layer of catalytic material on the surface of said magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy in bulk or particulate form. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 마그네슘계 수소 저장 물질은,The magnesium-based hydrogen storage material, a) 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계; 및 a) providing bulk or particulate magnesium or magnesium based hydrogen storage alloys; And b) 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 표면상에, 증착, 전해 코팅, 또는 무전해 코팅에 의해 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층을 침적시키는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.b) magnesium formed by depositing a continuous or semicontinuous layer of catalyst material on the surface of the bulk or particulate magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy by deposition, electrolytic coating, or electroless coating Hydrogen storage materials. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 표면상에서의 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층을 침적시키는 단계는 상기 촉매 물질의 증발을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.And depositing a continuous or semicontinuous layer of catalyst material on the surface of the bulk or particulate magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy comprises evaporation of the catalyst material. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 촉매 물질의 연속 또는 반연속 층은 약 100Å 두께인 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.Magnesium-based hydrogen storage material, characterized in that the continuous or semicontinuous layer of the catalyst material is about 100 GPa thick. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계는 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서 불연속적인 분산된 영역에 배치된 수소 탈착 촉매를 갖는 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.Providing the bulk or particulate magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy comprises bulk or particulate magnesium or magnesium based hydrogen storage having a hydrogen desorption catalyst disposed in discrete dispersed regions within the bulk or particulate magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy. Magnesium-based hydrogen storage material comprising providing an alloy. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계는,Providing the bulk or particulate magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy, a) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 상기 수소 탈착 촉매의 분말을 혼합하는 단계; a) mixing the powder of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and the powder of the hydrogen desorption catalyst; b) 상기 혼합된 분말을 콤팩트(compact)로 압착하는 단계; 및 b) compacting the mixed powder into a compact; And c) 450℃ 및 600℃ 사이의 온도에서 상기 콤팩트를 소결/어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.c) sintering / annealing the compact at a temperature between 450 ° C and 600 ° C. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 소결/어닐링하는 단계는 적어도 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.The sintering / annealing step is performed for at least 10 hours. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계는,Providing the bulk or particulate magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy, a) 보호 분위기에서 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 분말과 상기 수소 탈착 촉매의 분말의 용융물을 형성하는 단계; a) forming a melt of the powder of the magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy and the powder of the hydrogen desorption catalyst in a protective atmosphere; b) 상기 용융된 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서 수소 탈착 촉매의 불용해성 분말의 현탁액을 확보하기 위하여 상기 용융물을 교반시키는 단계; 및 b) stirring the melt to ensure a suspension of insoluble powder of a hydrogen desorption catalyst in the molten magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy; And c) 상기 수소 탈착 촉매의 현탁된 불용성 분말이 응고된 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금 내에서 잘 분포되도록 상기 교반된 용융물을 급속하게 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.c) rapidly cooling the stirred melt such that the suspended insoluble powder of the hydrogen desorption catalyst is well distributed in the solidified magnesium or magnesium based hydrogen storage alloy. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 벌크 또는 미립자 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 제공하는 단계는,Providing the bulk or particulate magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy, a) 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금의 용융물을 형성하는 단계; 및a) forming a melt of said magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy; And b) 벌크 급속 냉각법에 의해 상기 마그네슘 또는 마그네슘계 수소 저장 합금을 급속하게 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.b) rapidly cooling said magnesium or magnesium-based hydrogen storage alloy by a bulk rapid cooling method. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 벌크 급속 냉각법은 용융 스피닝(melt spinning), 원심 원자화(centrifugal atomization), 가스 미립화(gas atomization), 또는 수 미립화(water atomization)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 수소 저장 물질.The bulk rapid cooling method includes magnesium spinning, melt spinning, centrifugal atomization, gas atomization, or water atomization.
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