[发明专利]镁基储氢材料中的催化氢解吸以及该材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及储氢材料，更具体涉及镁基储氢材料，其中由在所述镁基储氢材料中不溶的材料催化氢解吸。所述不溶性催化材料可以是下列形式：1)在储氢材料块体中离散分散的催化材料区域；2)在储氢材料颗粒表面上的离散分散区域；3)在块状或颗粒状储氢材料表面上的连续或半连续催化材料层；或4)其组合。

背景技术

日益增长的能量需求迫使专家们认识到这样的事实，即传统能源，比如煤、石油或天然气并不是无穷无尽的，或者至少它们的成本一直都在增加，以及可取的做法是用氢代替这些传统能源。

氢可以例如代替烃用作内燃机的燃料。在此情况下，优点在于消除了由于烃燃烧时形成的碳氧化物、氮氧化物和硫氧化物对大气的污染。氢也可以用来为氢-空气燃料电池提供燃料，以产生电动马达所需的电力。

采用氢面临的问题之一是它的存储和运输。人们已经提出了许多解决方案：

可以将氢在高压下储存在钢气瓶里，但这种方法缺点在于需要危险笨重、难以搬运的容器(另外，储存能力低，大约是1重量％)。氢也可以储存在低温容器内，但这必然伴有和采用低温液体相关的缺点；比如，例如，容器成本高而且也需要小心搬运。另外，每天有大约2-5％的“蒸发”损失。

储存氢的另一种方法是将其以氢化物形式储存，然后氢化物在合适时间分解以供给氢。如法国专利No.1529371所述，以及以此方式采用了铁-钛氢化物、镧-镍氢化物、钒氢化物和镁氢化物。

由于最初发现氢可以以安全致密固态金属氢化物形式储存，所以研究人员一直在设法制备具有最优性能的储氢材料。一般而言，这些研究人员正在致力实现的理想材料性质是：1)高的储氢能力；2)轻质材料；3)合适的氢吸收/解吸温度；4)合适的吸收/解吸压力；5)快速吸收动力学；和6)吸收/解吸循环寿命长。除了这些材料性质以外，理想的材料应该便宜、容易制造。

MgH₂-Mg系统由于具有最高重量百分比(7.65重量％)的理论储氢能力以及因而单位重量储存材料具有最高的理论能量密度(2332Wh/Kg；Reilly&Sandrock，Spektrum der Wissenschaft，1980年4月，53)，所以是可用作可逆储氢系统的所有已知金属氢化物和金属系统中最合适的。

尽管这种性质以及镁较低的价格使MgH₂-Mg对于运输、对于氢动力车辆而言似乎是最优的储氢系统，但直到现在其让人无法满意的动力学阻止了它的应用。例如已知纯镁只能在大约400℃的剧烈条件下氢化，而且只能极其缓慢地、不完全地氢化。所得氢化物的脱氢速率对于储氢材料而言也是不能接受的(Genossar&Rudman，Z.f.Phys.Chem.，Neue Folge 116，215(1979)，和其中引用的文献)。

而且，在充/放循环过程中，镁储氢材料(magnesium reserve)的储氢能力减弱。这种现象可以通过表面的逐步中毒得到解释，表面中毒导致在充入期间氢不能接近位于储氢材料内部的镁原子。

为了排出传统镁或镁/镍储氢系统中的氢，要求高于250℃的温度，同时有大量的能量供应。排出氢所需的高温水平和高能量要求，导致例如具有内燃机的机动车辆不能单独由这些合金操作。这是因为尾气所蕴含的能量，在最有利情况下(满载荷)，由镁或镁/镍合金仅仅足以满足内燃机对氢要求的50％。因此，剩下的氢需求必须从另一种氢化物合金处得到满足。例如，这种合金可以是钛/铁氢化物(典型的低温氢化物储氢材料)，它可以在低至0℃以下的温度操作。这些低温氢化物合金的缺点在于储氢能力低。

过去人们已经开发了储氢材料，它们的储氢能力较高，但是从中排出氢要在高达约250℃的温度进行。美国专利No.4160014描述了具有式Ti_[1-x]Zr_[x]Mn_[2-y-z]Cr_[y]V_[z]的储氢材料，其中x＝0.05-0.4，y＝0-1，和z＝0-0.4。在这种合金中，可以存储多达约2重量％的氢。除了所述储氢能力较低以外，这些合金的缺点还在于当使用金属钒时合金价格极高。