一种Mg-C纳米复合储氢材料的制备装置和制备方法转让专利
申请号 : CN202011492717.4
文献号 : CN112762715B
文献日 : 2021-12-14
发明人 : 郑捷 , 曾辉 , 王泽渊 , 李星国 , 陈思安 , 谢镭 , 吴勇
申请人 : 北京大学 , 中国船舶重工集团公司第七一二研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种Mg‑C纳米复合储氢材料的制备装置,其特征在于,包括一个管式炉系统,所述管式炉内设有石英管,所述石英管的两侧分别设有气体入口和气体出口,所述石英管内部设有一个石墨套管,所述石墨套管内用于放置原料金属镁,在所述石英管上靠近气体出口的一侧外部套有电感线圈,所述电感线圈连接有射频电源,所述石墨套管内放置原料金属镁的位置与套有所述电感线圈的位置之间为产品收集区域。
2.根据权利要求1所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备装置,其特征在于,所述石英管的气体出口连接有泵,用于调节所述石英管内的压力,所述石英管的气体出口与所述泵之间设有阀门。
3.根据权利要求1所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备装置,其特征在于,所述电感线圈的匝数为1‑10匝。
4.一种利用权利要求1‑3任一项所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备装置的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,包括以下步骤:(1)在所述石英管的所述石墨套管内放入原料金属镁,通过所述石英管的气体进口通入氩气,使用氩气将所述石英管内冲洗2‑3次;
(2)通过所述石英管的气体进口通入氩气—烃类气体—氢气的混合气体,使所述石英管内的压力维持在10‑200Pa之间;
(3)启动所述管式炉系统,加热所述石英管到设定温度400‑700℃,其中升温速度控制在5‑100℃/min,此时所述石墨套管内产生原料金属镁的蒸气;
(4)待达到设定温度时,启动所述射频电源,所述射频电源通过所述电感线圈在所述石英管内部产生辉光放电,所述射频电源的射频功率为20‑500W,反应时间为20min‑4h,以在所述产品收集区域处形成均匀的纳米复合结构的Mg‑C纳米复合储氢材料。
5.根据权利要求4所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,步骤(2)中,所述氩气—烃类气体—氢气的混合气体中氩气的体积百分比为50%‑95%,烃类气体的体积百分比为
1%‑50%,氢气的体积百分比为0‑20%。
6.根据权利要求5所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,步骤(2)中,所述氩气—烃类气体—氢气的混合气体中氩气的体积百分比为80%‑90%;烃类气体的体积百分比为
2%‑10%;氢气的体积百分比为0‑5%。
7.根据权利要求4所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,步骤(2)中,所述管式炉系统的压力维持在50‑100Pa之间。
8.根据权利要求4所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,步骤(3)中,加热所述石英管到设定温度550‑650℃,所述管式炉系统中升温速度控制在10‑20℃/min。
9.根据权利要求4所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,步骤(4)中,所述射频电源的射频功率为100‑150W。
10.根据权利要求4所述的Mg‑C纳米复合储氢材料的制备方法,还包括步骤(5)停止加热,待所述管式炉系统的温度降至450℃时关闭所述射频电源,待所述管式炉系统冷却至室温后,通过所述石英管的气体入口通入氩气使体系压力升至常压,打开所述管式炉系统,取出所述石英管内部的所述石墨套管,收集沉积在所述石墨套管内的Mg‑C纳米复合储氢材料。
说明书 :
一种Mg‑C纳米复合储氢材料的制备装置和制备方法
技术领域
背景技术
成纳米复合体系,碳材料热稳定性好、质量轻、导热导电能力强,可以有效抑制Mg的团聚,提
高镁的储氢性能。
常复杂。镁‑碳纳米复合材料的合成难度更大。
复合材料的方法,其中镁颗粒尺寸约为40nm。专利CN109928360A中使用等离子电弧和电阻
加热台分别加热催化剂金属锭和镁块以制备镁颗粒尺寸小于20nm且含有金属催化剂(V、
Nb、Ti、Zr、Co、Ni、Al或Mn)的碳包覆镁基复合纳米颗粒。但高温电弧反应装置复杂,制备过
程能耗很高,且缺乏对Mg/C比例和颗粒尺寸的控制方法。
发明内容
出口,所述石英管内部设有一个石墨套管,所述石墨套管内用于放置原料金属镁,在所述石
英管上靠近气体出口的一侧外部套有电感线圈,所述电感线圈连接有射频电源,所述石墨
套管内放置原料金属镁的位置与套有所述电感线圈的位置之间为产品收集区域。
以在所述产品收集区域处形成均匀的纳米复合结构的Mg‑C纳米复合储氢材料。
体系压力升至常压,打开所述管式炉系统,取出所述石英管内部的所述石墨套管,收集沉积
在所述石墨套管内的Mg‑C纳米复合储氢材料。
附图说明
具体实施方式
控制在小于200Pa,热蒸发镁6产生镁的蒸气,同时进行辉光放电使烃类气体分解产生碳,将
镁6的热蒸发和烃类气体的等离子体分解相结合,一步得到Mg‑C纳米复合储氢材料,可以控
制镁6的颗粒尺寸,提高Mg‑C纳米复合储氢材料的储氢性能。
入口8和通出混合气体的气体出口9,石英管1的气体入口8侧为石英管1的上游,石英管1的
气体出口9侧为石英管1的下游,石英管1的气体出口9处连接机械泵,石英管1的气体出口9
与机械泵之间设有阀门,用于将石英管1抽真空或者通过调节使石英管1内的压力维持在需
要的范围内,石英管1内部设有一个石墨套管5,石墨套管5内用于放置金属镁6,金属镁6可
以是镁块、镁粒、镁条或镁粉等不同的形态,在石英管1上靠近出口位置的一侧外部套有电
感耦合的电感线圈3,电感线圈3的匝数为1‑10匝,电感线圈3连接射频电源4,射频电源4通
过电感线圈3在石英管1内部产生辉光放电,使等离子体的辉光可以到达石英管1中放置金
属镁的中心位置处,石墨套管5内放置金属镁6的位置与套有电感线圈3的位置之间为下游
的产品收集区域7。
气,使用氩气将石英管1内冲洗2‑3次;
之间,优选50‑100Pa。其中烃类气体可以是任意的只含有C和H的气体,优选的是CH4和C2H2。
氩气—烃类气体—氢气的混合气体中氩气的体积百分比在50%‑95%之间,优选比例为
80%‑90%;烃类气体的体积百分比在1%‑50%之间,优选比例为2%‑10%;氢气的体积百
分比在0‑20%之间,优选比例是0‑5%。
Mg的蒸气。
石墨套管5中放置金属镁6的中心位置处,射频频率为13.56MHz,射频功率为20‑500W,优选
功率为100‑150W,使混合气体中的烃类气体分解产生碳。Mg的蒸气和烃类气体混合进入下
游的产品收集区域7,石英管1下游温度低于管式炉内石英管1的中心,镁蒸气到达产品收集
区域7处发生凝聚,优选的产品收集区域7处的沉积温区在400‑500℃,同时烃类气体分解产
生碳,与凝聚的镁蒸气直接形成纳米复合物沉积下来,由于镁蒸气和烃类气体在气相中是
非常均匀的混合的,有效实现Mg与碳的均匀复合,因此可以形成非常均匀的纳米复合结构
的Mg‑C纳米复合储氢材料,降低Mg的颗粒大小,能够有效提高Mg‑C纳米复合储氢材料中Mg
的吸氢动力学,在储氢及其他储能领域具有更好的性能,反应时间为20min‑4h,优选的时间
是60‑120min。
内部的石墨套管5,收集沉积在石墨套管5内的产物Mg‑C纳米复合储氢材料。
快,Mg‑C中Mg的比例越高,而提高混合气体中烃类气体的比例,或是提高射频电源4的射频
功率,都能够提高Mg‑C中碳的含量。相比高温电弧等其他制备方法,本专利的Mg‑C纳米复合
储氢材料的制备方法的温度和能耗均大大降低。
式炉内,使镁条的位置恰好位于管式炉的中心位置处,在石英管1外套上电感线圈3,电感线
圈3设置在石英管1的下游,使用机械泵通过石英管1的气体出口9将石英管1内抽真空至
0.1Pa,通过石英管1的气体进口通入氩气至1kPa后再次抽真空至0.1Pa,重复3次,使用氩气
将石英管1内冲洗3次,除去系统中的氧气和水蒸气;
其中Ar的流速为标准状态下80cm/min,C2H2的流速为标准状态下12cm/min,H2的流速为标
3
准状态下8cm /min,标准状态为1个大气压并且25℃下,调节石英管1与机械泵之间的阀门,
使管式炉系统2整个压力维持在80Pa之间。
等离子体的辉光可以到达石墨套管5中放置金属镁6的中心位置处,使混合气体中的烃类气
体分解产生碳。Mg的蒸气和烃类气体混合进入下游的产品收集区域7,石英管1下游温度低
于管式炉内石英管1的中心,镁蒸气到达产品收集区域7处发生凝聚,同时烃类气体分解产
生碳,与凝聚的镁蒸气直接形成纳米复合物沉积下来,反应时间控制在60min。
管1内部的石墨套管5,收集沉积在石墨套管5内的产物Mg‑C纳米复合储氢材料。对残余的镁
条进行称重,镁条残余0.22g,收集距镁带8‑11cm处的产物,产物外观为黑色的疏松粉末,对
应的沉积温度为480‑520℃,共收集产物Mg‑C纳米复合储氢材料0.34g。
明Mg和C的质量百分比分别为72.6%和25.8%,剩余质量为H和O。如图3和图4所示,扫描电
镜和透射电镜表明样品呈现弯曲的短纳米管形貌,管的直径约100nm,如图5所示,高分辨透
射电镜可以看到弯曲的石墨层状结构和金属镁的晶格条纹,表明纳米管为Mg纳米晶和无定
形碳构成的复合结构,结构表征表明该方法获得了Mg‑C纳米复合储氢材料。
和无定形的碳。
发明构思的前提下,所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进,均应包含在本发明
的保护范围之内。