一种添加稀土元素的镁基储氢材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种添加稀土元素的镁基储氢材料及其制备方法，所述镁基储氢材料的组分包括镁金属和稀土元素，所述稀土元素质量百分含量为0.1％～20％，所述镁金属的质量百分含量为80％～99.9％，所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm和Er中的一种或多种；本发明镁基储氢材料具有良好的储氢动力学性能，与相同条件下制备的纯镁纳米粉相比，其储放氢的操作温度更低，吸放氢平台压更接近，速度明显加快，同时保持了高的储氢容量，在300℃左右的吸氢量达到了7.26％。

权利要求

1.一种添加稀土元素的镁基储氢材料的制备方法，包括以下步骤：

a.将镁金属和稀土元素按所述稀土元素质量百分含量为0.1%~20%，所述镁金属的质量百分含量为80%～99.9%进行混合并研磨，然后在液压式压片机中冷压成块得储氢合金的块体；

b.在直流电弧等离子体设备中采用所述储氢合金的块体为阳极，钨棒为阴极，所述直-2流电弧等离子体设备抽真空至2×10 Pa后，充入氩气或/和氢气至设定压力0.55~1atm，起弧后待所述储氢合金的块体完全熔化并蒸发后，熄灭电弧，通冷却水使反应温度冷却至室温，水压2～3Mpa；

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c.将所述直流电弧等离子体设备抽真空至2×10 Pa，然后充入氩气和空气的混合气体进行钝化操作，钝化后，收集内壁粉末，即为所述镁基储氢材料；

所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm和Er中的一种或多种；所述步骤a中研磨后镁金属和稀土元素颗粒直径为75~100微米；所述步骤a中液压式压片机的压力范围为15~25MPa；

所述步骤b中起弧后继续通氩气或/和氢气至1atm，待所述储氢合金的块体完全熔化并蒸发后熄灭电弧；所述步骤c中混合气体为所述氩气0.7atm和所述空气0.3atm。

说明书

一种添加稀土元素的镁基储氢材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高容量镁基储氢材料，特别涉及一种添加稀土元素的纳米级镁基储氢材料。

背景技术

[0002] 镁基储氢材料因其储氢量大、资源丰富、成本低廉而被认为是最具应用前景的金属储氢材料之一。其原理是通过氢气与储氢合金之间进行的可逆反应，实现氢的储存与释放，即外界有热量传递给金属氢化物时，它就分解为储氢合金并放出氢气，反之，氢和储氢合金构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储存于其中。用储氢材料储存与输送氢有以下3
特点：密度小，仅为1.74g/cm ；储氢容量高，纯Mg的储氢容量为7.6％；安全性好，没有爆炸危险；可得到高纯度氢。

[0003] 目前已开发的储氢合金按各类合金中主要吸氢元素的不同通常可划分为Ti系、稀土系、V系固溶体储氢合金以及Mg系，Ti系及稀土系以及V系合金的储氢容量为1.4％～3.5％，难以达到实际应用的要求。

[0004] Mg的理论储氢容量为7.6％，且成本较低，是作为燃料电池氢源的理想材料，但是MgH2的形成焓为-74.5kJ/mol，吸放氢温度高达623-673K。同时，生成的氢化物过于稳定，吸氢动力学性能差，Mg的吸放氢速率非常缓慢，合金电极在碱液中的耐腐蚀性差，循环寿命低。这些缺点阻碍了镁基储氢材料的大规模应用。

[0005] 多年来，国内外研究者做了大量的工作来提高镁基储氢材料的吸放氢动力学性能，Reiser等认为与氢气反应的纯Mg颗粒大小需达到20-100μm，Int J Hydrogen Energy，2000，25(5)：425-430。Vigeholm等也认为粒径小于75μm的纯镁在575K，氢压超过平衡压力时很容易吸氢，并且不需要特别的活化处理，仅几次吸放氢循环就可以使镁完全活化，Less-Common Met，1983，89：135-144。纳米尺度的镁基氢化物具有相对有两的动力学性能和可能增加的比容量。大的比表面积和更多的缺陷的存在为氢提供了更多的结合点，这使得氢在纳米粒子中的固溶度可能增大，从而使其比容量提高。然而，在以上的这些报道中，
300℃左右的吸氢量仅为6.5％左右，且制备镁纳米粉的方法也较复杂，产量较少。这些都对镁基合金的实际应用不利。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种添加稀土元素的镁基储氢材料及其制备方法，本发明所制备的镁基储氢材料为纳米级，储氢容量高，能广泛应用于氢的规模化运输、燃料电池的氢源和氢的提纯等领域。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种添加稀土元素的镁基储氢材料，其组分包括二价镁金属(Mg)和稀土元素(RE)，所述稀土元素质量百分含量为0.1％～20％，所述镁金属的质量百分含量为80％～99.9％，所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm和Er中的一种或多种。

[0009] 本发明还提供了一种所述添加稀土元素的镁基储氢材料的制备方法，包括以下步骤：将所述镁金属和所述稀土元素按所述稀土元素质量百分含量为0.1％～20％，所述镁金属的质量百分含量为80％～99.9％进行混合并研磨，随后在液压式压片机中冷压成块得储氢合金的块体，然后在直流电弧等离子体设备中采用所述储氢合金的块体为阳极，钨-2棒为阴极，将所述设备抽真空至2×10 Pa后，充入氩气或/和氢气至设定压力0.55-1atm，起弧后待所述储氢合金的块体完全熔化并蒸发后，熄灭电弧，通冷却水使反应温度冷却至-2
室温，水压2-3Mpa；将所述直流电弧等离子体设备抽真空至2×10 Pa，然后充入氩气和空气的混合气体进行钝化操作；钝化后，收集内壁粉末，即为制得所述镁基储氢材料。

[0010] 本发明一较佳实施方式中，所述研磨后镁金属和稀土元素颗粒直径为75～100微米，

[0011] 本发明另一较佳实施方式中，所述液压式压片机的压力范围15-25MPa。

[0012] 本发明另一较佳实施方式中，所述起弧后继续通氩气或/和氢气至1atm，待所述储氢合金的块体完全熔化并蒸发后熄灭电弧。

[0013] 本发明另一较佳实施方式中，所述混合气体为所述氩气0.7atm和所述空气0.3atm。

[0014] 本发明的优点是：本发明提供的镁基储氢材料具有良好的储氢动力学性能，与相同条件下制备的纯镁纳米粉相比，其储放氢的操作温度更低，吸放氢平台压更接近，速度明显加快，同时保持了高的储氢容量，例如在300℃左右的吸氢量达到了7.26％。

附图说明

[0015] 图1为Mg-Nd粉末吸氢前的TEM图，图像由JEOL-2100透射电镜得到。

[0016] 图2为Mg-La粉末在300℃，350℃，400℃温度下的PCT曲线图，测试在P-C-T测试仪中进行，测试氢压最高为4MPa，最低为0.005MPa，平衡时间为20s。

[0017] 图3为Mg-La粉末在400℃，4MPa氢压吸氢后的DSC/TGA曲线图，1为Mg-La的质量变化曲线，2为Mg-La的热流曲线；测试在耐驰DSC/TGA仪器中进行，测试条件：氩气气氛，流速30ml/min；升温速率10℃/min；温度范围为20-550℃。

[0018] 图4为Mg-Er粉末在300℃的吸氢PCT曲线图，测试在P-C-T测试仪中进行，测试氢压最高为4MPa，最低为0.005MPa，平衡时间为20s。

具体实施方式

[0019] 实施例1：

[0020] 取Mg19g和Nd1g在研钵中充分混合研磨后(颗粒直径为75～100微米)在液压式压片机中压制得到块体，压力是15MPa，用作阳极。

[0021] 将上述镁金属和稀土元素Nd的块体作为阳极，钨棒为阴极，置于直流电弧等离子-2体设备中，电流150A，当设备抽至真空度为2×10 Pa时，充入氩气至0.8atm，起弧后，继续通氩气至1atm反应10min，熄灭电弧，通冷却水使反应温度冷却至室温，水压2Mpa；将直流-2
电弧等离子体设备抽真空至2×10 Pa，然后充入氩气0.7atm和空气0.3atm进行钝化操作；
钝化后，收集内壁粉末，即为制得的镁基储氢材料。TEM图1显示的吸放氢以后的形貌结果显示，经过Nd稀土元素添加后的镁基储氢材料颗粒呈棱角分明的六方形，有的呈球形，颗粒尺寸从50nm～700nm。

[0022] 实施例2：

[0023] 取Mg18g和La2g在研钵中充分混合研磨后(颗粒直径为75～100微米)在液压式压片机中压制得到块体，压力是15MPa，用作阳极。

[0024] 将镁金属和稀土元素La的块体作为阳极，钨棒为阴极。置于直流电弧等离子体-2设备中，电流150A，当设备抽至真空度为2×10 Pa时，充入氩气0.7atm和氢气0.1atm，起弧后，继续通氢气至1atm，反应10分钟，熄灭电弧，通冷却水使反应温度冷却至室温，水压-2
2MPa；将直流电弧等离子体设备抽真空至2×10 Pa，然后充入氩气0.7atm和空气0.3atm进行钝化操作；钝化后，收集内壁粉末，即为制得的镁基储氢材料。PCT图2的吸氢结果显示，经过La稀土元素添加后的镁基储氢材料在各个温度下的滞后压特别小。DCS/TGA图3的结果显示，放氢温度比纯镁的降低。

[0025] 实施例3：

[0026] 取Mg16.5g和Er3.5g在研钵中充分混合研磨后(颗粒直径为75～100微米)在液压式压片机中压制得到块体，压力是15MPa，用作阳极。

[0027] 将镁金属和稀土元素Er的块体作为阳极，钨棒为阴极。置于直流电弧等离子体设-2备中，电流150A，当设备抽至真空度为2×10 Pa时，充入氩气0.8atm，起弧后，继续通氢气至1atm，反应10分钟，熄灭电弧，通冷却水使反应温度冷却至室温，水压2MPa；将直流电弧-2
等离子体设备抽真空至2×10 Pa，然后充入氩气0.7atm和空气0.3atm进行钝化操作；钝化后，收集内壁粉末，即为制得的镁基储氢材料。PCT图4的吸氢结果显示，经过Er稀土元素添加后的镁基储氢材料在300℃的吸氢量可达7.26％。