TWI408240B - 由奈米級微粒形成的網狀泡沫型結構 - Google Patents

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Description

由奈米級微粒形成的網狀泡沫型結構
本發明係關於一種獨特且普遍適用之由奈米級微粒形成的網狀泡沫型結構。更具體言之，其關於由網狀泡沫型結構形成的適用材料，如觸媒及用於儲氫、電池電極及燃料電池電極之材料。本發明類似碳奈米泡沫結構但由互連奈米級微粒形成的網狀泡沫型結構不僅提供具有獨特高表面積之材料，且因多重自由度(如拓撲、成分、移動及位置自由度)而使該材料在周遭溫度下以快速動力學及可用高原期壓力呈現極佳催化特性及儲氫特性以及稀有鍵結及反鍵結軌道而提供其本身原子及軌道設計，其中該互連奈米級微粒可由金屬合金形成。本身為材料系統之該奈米級尺寸之微粒結合其形成之網狀泡沫型結構可提供材料獨特創新的機會。
慣用儲氫合金之主要問題之一係循環時，粉狀儲氫合金微粒易在吸附/脫附循環時分開。此分離或熱爆可能造成儲氫合金使用上的問題。先前專利及申請案已藉由容器設計、容器內部分室及內部熱管理系統解決此問題。另一項問題包括合金中部分儲氫之不可逆性。本發明利用可大幅降低壓力圍阻要求及保存儲氫材料之儲存容器的重量之奈米泡沫型結構將熱爆減至最低。本發明重要地係利用奈米泡沫型結構具有獲證明之儲氫容量的材料達到此目的，其中該奈米泡沫型結構可逆地或利用其他方式提供額外自由度以獲得更多儲氫位置。本發明亦增加某些合金中儲氫的可逆性。其亦可經由一由奈米級微粒形成的獨特網狀泡沫型結構達到，其解決動力學問題、儲存容量問題及氣相儲氫材料之循環壽命的問題。該奈米級泡沫本身具有結構完整性且不需要基板支撐之，這意味納入材料之兩或三維度以增加許多可用氫位置(雖然可利用本身具有波函數並與該奈米泡沫元件之波函數互相作用之基板)。應注意本發明材料因表面位置增加以及其相關化學所增加之催化活性使容量及動力學獲得改善。除了剛儲氫材料外，本發明網狀泡沫型結構亦係適用的並可改善電池及燃料電池材料(正及負電極)以及製造傑出多功能催化材料。
該網狀泡沫型結構本質易碎且在蓄意分離成較小塊時，該奈米級結構將不會破裂。因此，該易碎結構獲得保存。該網狀泡沫型結構之表面積係如碳奈米泡沫結構般大。具有易碎構型之網狀泡沫型結構不如同簡單微粒般擠在一起。
用於燃料電池並作為內燃機之燃料的氫係快速定位在下一能源使用之主要發展上。不幸地，慣用安全且適用可逆儲氫方法目前係非常不易進行且昂貴的。此類燃料目前係儲存在加壓罐或以液體形式儲存。吾人已選擇將氫固態儲存於氫化物儲存系統中。氫化物儲存係遠較壓縮氫氣或液態儲存安全且基於當量能量，甚至比汽油安全。
使用上，氫化物的重量相較壓縮氫係較不利的。而且，對車輛空間之限制必須接近乘客地儲存而加重此安全性考量。這些儲存限制不利車內儲存及車輛續駛里程以及相較於汽油或其他現有燃料，不利整個氫之運送及分配的容量及其使用前之儲存。這些限制因而限制氫之製造處、如何有效製造氫及如何乾淨地製造氫。例如，由甲醇或汽油重組器機上產生之氫降低總排放量僅7－35%，而供應站之蒸氣重組將降低排放量40%且遠隔生產將降低排放量60－70%而提供一實用且經濟的儲存方法。包括純氫燃料電池車之較佳車內儲存及運送和分配氫的方法將對此新興工業有顯著且廣泛正面衝擊。因此，吾人材料發明在此範疇中已可解決固態儲存氫之容量、動力學及壽命的問題，而且其已可使該等解決方法可解決公共建設的問題，因為其可以平常方式運送，而且氫可以可更新能源如三接點光生伏打裝置捕集之太陽能或甚至利用氫或任何類型之慣用不可更新源產生。
以氫為燃料使用慣用高壓儲氫之車輛的主要問題係車輛續駛里程、安全性及氫燃料可利用率。這些問題因此成為所有方面之儲氫問題。以氫為燃料之車輛系統可達到與汽油ICE(平常目標為380哩)相同之續駛里程，但相較於汽油需要3－5倍之空間及可能遠較大之重量。所需額外空間亦增加實際或已察覺之安全性考量。這些不利之空間及重量亦影響運送及分配氫之容易性，其因此更要謹慎處理車輛續駛里程的考量。高壓氫之空間及續駛里程限制和相關安全性考量代表慣用以氫為燃料之車輛的最大缺點。已證明所有以使用燃料電池或燃氫內燃機(其兩者皆僅需低壓氫燃料)之Stanford R.Ovshinsky方法為基礎之氫車輛結合Ovonic鎳－金屬氫化物電池可提供此一車輛所需之續駛里程及容量。該車輛使用Ovonic固態金屬氫化物儲存供應氫燃料。
可使用呈金屬微粒形式並亦可為多元素之金屬氫化物將氫儲存在許多不同尺寸及形狀之容器中。為了幫助氫之裝載及脫除，必須冷卻或加熱金屬氫化物及容器。為幫助該容器良好表現(脫附速率、填充時間等)，容器內部需有效熱交換構件以改善裝載/脫除動力學。
重複吸附及脫附循環一般造成該金屬氫化物微粒熱爆。熱爆係發生在儲氫合金塊或微粒之膨脹因氫吸收在該等塊上引發超過該合金彈性模數之較大應力/應變而擴大且該等塊碎成較小片。由於熱爆，較小合金微粒將因重力而沉降並觀察到金屬微粒之填充比率局部增加。此填充比率之增加結合微粒間之高靜摩擦及吸收期間之微粒膨脹在某些情況下可能在儲存合金之圍阻容器上產生局部應力。此局部密化已由ECD氫系統公司成功地解決。此局部密化已減至最低程度，因此其不會限制壽命或任何其他車輛考量。本發明提供另一種解決該局部密化問題之方法，其亦可降低該圍阻系統的重量。
此外，部分塊狀儲氫合金材料起初吸附遠超過可可逆釋放(在適用溫度下)之氫。起初所吸附之氫部分陷落在儲存位置而需要大量能量方可釋放所儲存之氫。本發明方法所設計增加之自由度可釋放未完全利用且未正常儲存之氫位置或在正常溫度及壓力下釋放氫。許多這些先前技術合金係所謂”室溫”合金，其在介於20℃與30℃之溫度下儲存及釋放氫。這些合金可有利地儲存2.5至超過4重量%之氫。本發明方法容許利用迄今仍不可使用之這些氫儲存部分。如吾人Ovonic電池專利中所實現，多功能泡沫結合原子工程已可使本HEV工業可擴大並利用在固態儲氫材料及系統中。
本發明係促進並提高固態儲氫。因為儲氫材料的體積儲存容量係適當的，因此目的係降低重量以及使氫燃料之填充更適合汽車工業。
本發明包含一種奈米微粒網狀泡沫型結構，其包含尺寸為10－200奈米之微粒。該等微粒結合在一起形成一網狀泡沫型結構。該網狀泡沫型結構係類似碳奈米泡沫結構。在本發明一具體實施例中，該奈米微粒網狀泡沫型結構包含一金屬，如儲氫合金。該儲氫合金可為氣相熱儲氫合金或電化學儲氫合金。
在另一具體實施例中，該奈米微粒網狀泡沫型結構可包含一氫氧化物，如氫氧化鎳或氫氧化錳。在另一具體實施例中，該奈米微粒網狀泡沫型結構可包含一氧化物，如銀氧化物或銅氧化物。在另一具體實施例中，該奈米微粒網狀泡沫型結構的微粒可由第一材料形成，然後經第二材料塗布。而且，該經塗布奈米微粒網狀泡沫型結構可具有另一第二層奈米微粒網狀泡沫型結構沉積在該經塗布第一層上，然後其本身以第二材料塗布之。利用此方法可形成一層狀複合材料，其包含多層所需厚度之泡沫/塗層並包含所需般多層。
本發明另一方面係含有一奈米微粒網狀泡沫型結構之儲氫材料，其中該結構包括尺寸為10－200奈米的儲氫合金微粒，其結合在一起形成該網狀泡沫型結構。該奈米微粒網狀泡沫型結構具有改善利用奈米微粒時之氫循環熱爆的能力。該儲氫合金可為氣相熱儲氫合金或電化學儲氫合金。
本發明另一方面係含有一奈米微粒網狀泡沫型結構之儲氫材料，其中該結構包括尺寸為10－200奈米的儲氫合金微粒，其結合在一起形成該網狀泡沫型結構。該奈米微粒網狀泡沫型結構藉由降低儲存容量之不可逆部分而增加該材料之可逆儲存容量。該降低相較於塊狀相同合金係至少10%。該降低相較於塊狀相同合金較佳係至少20%，更佳係至少25%，最佳係至少30%。該儲氫合金可為氣相熱儲氫合金。
本發明包括材料之奈米級微粒，更具體言之，適用材料如儲氫合金之奈米級微粒。該等儲氫合金之奈米級微粒係真正的奈米級微粒。其不是一般所謂的奈米結構材料。奈米結構材料係粒徑不小於約1微米或呈現奈米級內部結構(即晶粒或紋理)之材料。本發明材料包括個別微粒屬奈米級之材料微粒。該等微粒係屬10－200奈米等級。因此，本發明包含奈米微粒材料，而非奈米級塊狀材料。
但是，本發明不只包含個別奈米級微粒和由其所形成之粉末，還包含一網狀泡沫型結構，其係在製造期間由這些微粒沉積所形成。此結構係類似技術上所知之碳奈米泡沫結構。該等微粒係沿三維晶格結構彼此互連。此晶格係高度多孔且本質易碎。
圖1顯示本發明材料之網狀泡沫型結構實例放大6,000倍之SEM顯微照片。如所見般，該材料係高度多孔並且係由個別奈米級微粒所形成。圖2係圖1材料放大20,000倍之SEM顯微照片。在此放大倍數下，該網狀泡沫型結構如形成該結構之奈米級微粒般顯而易見。圖3係圖1及2材料放大40,000倍之SEM顯微照片。在此放大倍數下，該泡沫之微粒本質係清楚的並可見到該網狀泡沫型結構之易碎本質。最後，圖4係圖1、2及3材料放大200,000倍之SEM顯微照片。在此確信構成該網狀泡沫型結構之個別微粒為奈米級尺寸，係介於約10－200奈米之間，更特別地平均為10－50奈米。
本發明材料之物理結構可獲得某些非常獨特之機械、結構及拓撲特質。因為該材料之開放、多孔本質和低於應變/抗拉極限之奈米級粒徑，使其無法承受普通熱爆。因此，該材料在裝載/脫除循環氫時不會破裂及斷裂。該結構係可撓曲的並可經壓縮而不破裂。因此，該材料不具常見之局部密化程度並將降低對放置該儲氫材料之圍阻容器的限制。此容許此一圍阻容器的形狀及材料有較大彈性。因此，可使用質輕建造材料如鋁、鎂及聚合物製造該圍阻容器。此亦將容許使用不同形狀之圍阻容器。對建造材料之放寬將可降低系統重量並因此改善整個系統之重量儲存容量。此外，使用非慣用形狀容器之自由度使儲存容器之整合更容易。例如，將儲存容器取代硬質圓筒或球形儲存容器整合入車輛時，容器可經成形及模製以嵌入任何車輛內可用空間中。此因此提供使用更多儲存合金以增加車輛續駛里程的能力或提供額外載貨或乘客的空間且不需使用先前技術之龐大罐。因此，該儲氫材料在循環期間經過膨脹及收縮將膨脹量均分在大體積上，而且該材料實質上可免除熱爆。這使填充密度可更高並可降低儲存容器上之不利局部壓力。
亦應注意如上所陳述該材料係本質易碎之多孔泡沫型網狀結構。因此，本發明結構不是鬆散聚集之粉末微粒，而是具有泡沫型巨大結構。此易碎本質容許各泡沫塊在極多方面皆非常類似其他泡沫塊如因機械構件而破裂時。該材料之泡沫狀本質結合構成該泡沫之微粒的奈米級尺寸可在膨脹及收縮期間釋放氫吸收/脫附循環時所發生之應力。大部分典型塊狀材料將破裂成較小微粒，因此造成不想要的局部密化。
除了本發明材料結構所具有之機械改善外，亦具有某些有利的化學作用。第一項極有用的化學作用係大幅增加儲氫動力學。因為該泡沫龐大的表面積及形成該泡沫之組成奈米級微粒，使這些材料以驚人的速率儲存氫。此外，本發明材料顯示超出起始合金極限之可逆儲存容量。換言之，某些塊狀儲氫合金材料起初吸收遠比(在適用溫度)可可逆釋放更多的氫。一部分起始所吸收的氫係”陷落”在儲存位置中，需要大量能量方可釋放該所儲存之氫。較佳係可脫附部分或所有”陷落”的儲存氫而不需嘗試改變溫度及壓力。這正是本發材料可做的。
圖5顯示一呈塊狀及本發明奈米級微粒網狀泡沫型結構且標稱組成為Ti 14原子%、V 58.5原子%、Cr 23.5原子%及Mn 4原子%之儲氫合金的PCT曲線。本發明材料在20℃下脫附氫減至0.837重量%，而塊狀相同合金在20℃下脫附僅減至約1.145重量%。因此，本發明奈米級微粒泡沫藉由改善該”陷落”氫的位置增加可逆儲存容量而使釋放所需能量大幅降低，藉此降低合金中之”陷落”氫約26.9%。
本發明奈米級微粒網狀泡沫型結構降低合金中之”陷落”氫至少10%。本發明材料較佳係降低合金中之”陷落”氫至少20%，更佳係至少25%，最佳係至少30%。本發明者亦注意到本發明材料之總吸附容量已因氧污染而降低。許多儲氫位置係藉由氧污染而結合，許多如許多其他鳥巢(儲氫合金)中之築巢位置(儲氫位置)係被(例如)布榖鳥的蛋(氧)佔據。消除氧污染後，本發明材料若無較大，亦將具有至少與鑄錠或碎塊狀之相同合金相同的總儲氫容量。此外，本發明者相信隨增加本發明材料之可逆儲存容量，車輛中儲氫材料之重量節省量可如30%般高。
實例
一種形成本發明奈米微粒網狀泡沫型結構之方法係藉由所需合金製成之標的物進行雷射剝蝕。圖6係雷射剝蝕沉積本發明材料之設備的簡化實例。欲剝蝕材料之標的物11係在沉積室10內。將所剝蝕之標的物材料收集在沉積基板12上。標的物11係裝在標的物固定器13上，較佳係將其設計成旋轉該標的物。雷射光束14係經定向以便照射在標的物11上。照射該標的物之能量自標的物剝蝕材料並形成剝蝕材料之羽狀物15，其經定向朝向並收集在沉積基板12上。
起初排空沉積室10至壓力為1.0x10－6 托(Torr)。然後以惰性氣體如氬氣填充該室至壓力為1－3托。本發明者所使用之雷射係準分子雷射，但可使用其他雷射。該雷射光束之功率脈衝係約250－500毫焦耳(mJ)且脈衝頻率係50－200Hz，且脈衝時間為12－20毫微秒。將該能量係經定向朝向標的物11並將剝蝕材料之羽狀物15定向朝向並收集於基板12上。接著將材料自基板移開，收集並測試之。應注意該室在沉積期間不處於高真空狀態。此原因係該剝蝕材料在高真空下將沉積成一均勻膜。為獲得本發明結構，需要一極高壓之非反應性氛圍。此造成較小平均自由路徑(即與氣體分子或其他微粒碰撞間之距離)而容許微粒在沉積於基板上之前先增長成奈米級尺寸。
本發明方法及結構係適用於電池電極、燃料電池電極及氣相儲氫用之儲氫材料。該方法可使用(例如)過渡金屬儲氫合金、鹼土金屬儲氫合金、稀土金屬儲氫合金、此類合金之混合物或其他儲氫材料。該等合金可具有包括AB、AB2 、A2 B、AB5 、A2 B7 、C14 、C15 、Laves、FCC、BCC、六角形等之結構類型。該結構可由預合金材料形成或可藉混合個別由單一元素製成之泡沫型結構製造虛擬合金。而且，該虛擬合金可藉混合預合金泡沫與單一元素泡沫或混合預合金泡沫與其他預合金泡沫製得。
用於電池或燃料電池之儲氫材料可選自Ti－V－Zr－Ni活性材料如這些揭示於美國專利第4,551,400號(“’400專利”)者，將其揭示內容以引用方式併入本文中。如上所討論般，’400專利中所用之材料係利用Ti－V－Ni組成物，其中至少Ti、V及Ni係隨Cr、Zr及Al中至少一或多者存在。’400專利之材料係多相材料，其可包含(但不限於)具有C14及C15型晶體結構中之一或多相。
負電極之儲氫材料亦可使用其他Ti－V－Zr－Ni電池或燃料電池合金。一材料家族係這些描述於美國專利第4,728,586號者(“’586專利”)者，將其揭示內容以引用方式併入本文中。’586專利揭示含有T、V、Zr、Ni及第五種組分Cr之Ti－V－Ni－Zr合金。’586專利除了該合金之T、V、Zr、Ni及Cr組分外還提及可能使用之添加劑及改質劑並討論其他添加劑及改質劑、改質劑之用量及交互作用和由其可期之特定益處。
除了上述材料之外，用於NiMH電池之負電極的儲氫材料亦可選自詳細描述於頒給Ovshinsky及Fetcenko之美國專利第5,277,999號(“’999專利”)之不規則金屬氫化物合金材料，將其揭示內容以引用方式併入本文中。
Mg－Ni基電池合金之實例係揭示於美國專利第5,616,432號及第5,506,069號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。這些專利揭示包含下列各者之電化學儲氫材料：(基合金)aMb，其中基合金係比例從約1：2至約2：1，較佳係1：1之Mg與Ni的合金，M代表至少一種選自下列各者組成之群之改質劑元素：Co、Mn、Al、Fe、Cu、Mo、W、Cr、V、Ti、Zr、Sn、Th、Si、Zn、Li、Cd、Na、Pb、La、Mm及Ca；b係大於0.5，較佳係2.5原子%並小於30原子%；且a＋b＝100原子%。至少一種改質劑較佳係選自Co、Mn、Al、Fe及Cu組成之群且至少一種改質劑元素之總質量係低於最終組成物之25原子%。該至少一種改質劑元素之總質量最佳係低於最終組成物之20原子%。
Ca－Ni基電池合金之實例係揭示於美國專利第6,524,745號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。此專利揭示用作鹼金屬電化學電池之活性負電池材料之經電化學安定之Ca－Ni儲氫合金材料。該合金材料包含至少一種藉將鈣保護在合金內並防止鈣解離成鹼性電解質的方式安定該合金材料以防在鹼性電池中電化學循環期間降解之改質劑元素。該合金具有化學式(Ca1－x－y Mx Ni2y )Ni5－z Qz ，其中M係至少一種選自密鈰(misch)金屬、稀土金屬、鋯及Zr與Ti或V之混合物組成之群之元素，Q係至少一種選自Si、Al、Ge、Sn、In、Cu、Zn、Co及其混合物組成之群之元素，x係在約0.02與0.2間變化，y係在約0.02與0.4間變化且z係在約0.05與約1.00間變化。
一種適用之熱儲氫合金系統係描述於美國專利第6,746,645號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。此專利描述包含大於約90重量%鎂並具有下列各特性之合金：1)至少6重量%之熱儲氫容量；2)合金粉末在300℃下10分鐘內吸收其總容量之80%的熱吸收動力學；及3)至少500個循環之氣相循環壽命而無損失容量或動力學。添加至鎂中以產生合金之改質劑元素主要包括Ni及Mm(密鈰金屬)且亦可包含額外元素如Al、Y及Si。因此，該等合金一般包含0.5－2.5重量%鎳及約1.0－4.0重量%Mm(主要包含Ce及La和Pr)。該合金亦包含3－7重量%Al、0.1－1.5重量%Y及0.3－1.5重量%矽中之一或多者。
另一種適用於本發明之氣相合金類型係揭示於美國專利第6,737,194號及第6,517,970號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。該等合金一般包含鈦、鋯、釩、鉻及錳。該合金較佳可另外包含鐵及鋁並亦可包含1－10原子%總量之至少一種選自下列各者組成之群之元素：Ba、Co、Cu、Cs、K、Li、Mm、Mo、Na、Nb、Ni、Rb、Ta、Ti及W(其中Mm係密鈰金屬、稀土金屬元素之混合物)。具體地，低溫儲氫合金包含0.5－10原子%Zr、29－35原子%Ti、10－15原子%V、13－20原子%Cr、32－38原子%Mn、1.5－3.0原子%Fe及0.05－0.5原子%Al。這些合金在暴露於周遭氛圍後，甚至在400個氫裝載/脫除循環後，較佳係甚至在1100個氫裝載/脫除循環後仍係非發火的。該合金具有至少1.5重量%，較佳係至少1.8重量%，最佳係至少1.9重量%之氣相熱儲氫容量。
將適用於本發明之另一氣相儲氫合金係描述於6,726,783中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。其中揭示鎂基儲氫合金粉末。該合金具有高儲氫容量、快氣相氫吸附動力學及長循環壽命。該合金的特徵在於其具有一晶間相而可防止合金微粒在其高溫氫化/脫氫期間燒結，因此可有長循環壽命。該鎂基儲氫合金粉末包含至少90%鎂並具有以下各特性：a)至少6重量%(較佳係至少6.9重量%)之儲氫容量；b)合金粉末在300℃下5分鐘內(較佳係在1.5分鐘內)吸收其總容量之80%的吸收動力學；及c)介於30與70微米間之粒徑範圍。該合金亦包含Ni及Mm(密鈰金屬)並亦可包含額外元素如Al、Y、B、C及Si。因此，該等合金一般將包含0.5－2.5重量%鎳及1.0－5.5重量%Mm(主要包含Ce、La、Pr及Nd)。該合金亦可包含下列各者中之一或多者：3－7重量%A1；0.1－1.5重量%Y；0.1－3..0重量%B；0.1－3.0重量%C；及0.3－2.5重量%矽。該合金較佳係經由原子化(如惰性氣體原子化)，一種驟冷速率控制在103 －104 ℃/秒之間之快速固化製程產生。
適用於本發明之另一氣相儲氫合金係描述於美國專利第6,536,487號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。該等合金係經原子化處理且在高壓下具有經擴充儲存容量之儲氫合金及含有其可變量之高壓儲氫單元。具體地，該儲氫合金係一合金，係AB2 合金如以原子%表示包含2－5%Zr、26－33%Ti、7－13%V、8－20%Cr、36－42%Mn及至少一種選自1－6%Ni、2－6%Fe及0.1－2%Al組成之群之元素之經改質Ti－－Mn2 合金。該合金另外包含高達1原子%之密鈰金屬。此類合金之實例以原子%表示包括：1)3.63%Zr、29.8%Ti、8.82%V、9.85%Cr、39.5%Mn、2.0%Ni、5.0%Fe、1.0%Al及0.4%密鈰金屬；2)3.6%Zr、29.0%Ti、8.9%V、10.1%Cr、40.1%Mn、2.0%Ni、5.1%Fe及1.2%Al；3)3.6%Zr、28.3%Ti、8.8%V、10.0%Cr、40.7%Mn、1.9%Ni、5.1%Fe及1.6%Al；及4)1%Zr、33%Ti、12.54%V、15%Cr、36%Mn、2.25%Fe及0.21%Al。
另一氣相合金係揭示於美國專利第6,491,866號及第6,193,929號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。該合金包含大於約90%鎂並具有以下各特性：a)至少6重量%之儲氫容量；b)合金粉末在300℃下10分鐘內吸收其總容量之80%的吸收動力學；c)至少500個循環之循環壽命而無容量及動力學損失。添加至鎂中以產生合金之改質劑元素主要包括Ni及Mm(密鈰金屬)且亦可包含額外元素如Al、Y及Si。因此，該等合金一般包含0.5－2.5重量%鎳及約1.0－4.0重量%Mm(主要包含Ce及La和Pr)。該合金亦包含3－7重量%Al、0.1－1.5重量%Y及0.3－1.5重量%矽中之一或多者。
一適用鎂基合金之最後實例係描述於美國專利第6,328,821號中，將其揭示內容以引用方式併入本文中。該等合金具有類似Mg2 Ni合金之鍵能及高原期壓力，但降低鎳之摻入量25－30原子%。此較低鎳含量大幅降低合金的成本。而且，雖然該合金之動力學係獲得改善而優於純Mg，該合金之儲存容量係明顯大於Mg2 Ni材料之3.6重量%。一般而言，該等合金包含大於約85原子%鎂、約2－8原子%鎳、約0.5－5原子%鋁及約2－7原子%稀土金屬和稀土金屬與鈣之混合物。該等稀土金屬元素可為密鈰金屬並主要可包含Ce及La。該合金亦可包含約0.5－5原子%矽。
應注意本發明奈米微粒網狀泡沫型結構具有極佳之催化能力。這係因為形成該泡沫之奈米微粒的極大表面積。這使該材料適用作觸媒以及用於儲氫、電池及燃料電池電極等之材料。本發明方法及結構亦適用於其他材料上，如用於電池之正電極及燃料電池之氧電極以及任何類型之催化材料之氫氧化物及氧化物。氫氧化物之實例包括氫氧化鎳及氫氧化錳。氧化物之實例包括銀氧化物及銅氧化物。
此外，本發明網狀泡沫型結構可由一基本材料形成，然後可將其他適用材料塗布在其孔洞上並深入其中。例如，該基本網狀泡沫型結構可由一導電材料如鎳、銅、鋁或碳形成，而且其他材料如儲氫合金或氫氧化物可沉積在該基材上。此複合材料將適用於電池及燃料電池電極中。此外，藉由沉積一額外基本網狀泡沫型結構層及必要時無限制地視情況選用之另一塗層形成一多層結構。奈米微粒網狀泡沫型結構層及塗層在整個結構中可相同或必要時針對所需層化結構而不同。
雖然本發明使用雷射剝蝕形成該奈米微粒網狀泡沫型結構層，本發明者了解此實驗技術將不容易轉變成質量級製造技術。目前可用於製造非泡沫型結構之其他技術可藉改良使用設備及方法而適用於形成泡沫。可單獨或組合使用此類技術如化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、物理氣相合成(PVS)、反應性濺鍍、電沉積、雷射熱解、雷射剝蝕、噴霧轉化、機械合金化及溶膠技術。現在，較低成本之製造方法係衍生自這些及類似技術。一般而言，材料可由原子或分子前驅物或藉由化學或物理方式合成得到。
10．．．沉積室
11．．．標的物
12．．．沉積基板
13．．．標的物固定器
14．．．雷射光束
15．．．剝蝕材料之羽狀物
圖1係本發明材料之網狀泡沫型結構實例放大6,000倍之SEM顯微照片；圖2係圖1材料放大20,000倍之SEM顯微照片；圖3係圖1及2材料放大40,000倍之SEM顯微照片；圖4係圖1、2及3材料放大200,000倍之SEM顯微照片；圖5係具有本發明網狀泡沫型結構之儲氫合金奈米級微粒的PCT曲線；圖6係一雷射剝蝕沉積本發明材料之設備的簡化實例。

Claims (3)

  1. 一種材料，其包含：一奈米微粒網狀泡沫型結構，該結構包括尺寸為10-200奈米之微粒，該等微粒結合在一起以形成一網狀泡沫型結構，該網狀泡沫型結構係類似該碳奈米泡沫結構，其中該奈米微粒網狀泡沫型結構包含一氫氧化物。
  2. 如申請專利範圍第1項之材料，其中該氫氧化物係選自氫氧化鎳及氫氧化錳組成之群。
  3. 一種材料，其包含：一奈米微粒網狀泡沫型結構，該結構包括尺寸為10-200奈米之微粒，該等微粒結合在一起以形成一網狀泡沫型結構，該網狀泡沫型結構係類似該碳奈米泡沫結構，其中該奈米微粒網狀泡沫型結構包含一氧化物，其中該氧化物係選自銀氧化物及銅氧化物組成之群。
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