[发明专利]氢化镁纳米颗粒及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及金属氢化物的制备领域和储氢技术领域，尤其是颗粒大小为纳米级别的氢化镁及其合成方法和应用。

背景技术

目前由于传统能源如煤炭、石油、天然气等日益枯竭以及人类对环保问题越来越重视，开发利用新的能源已成为全球密切关注的话题。其中氢能源由于其比质量能量含量高以及清洁无污染的特性，是最有希望在21世纪得到广泛应用的能源之一。但氢能源的利用涉及到储存这一关键步骤，因此如何安全有效的储藏氢气成为亟待解决的课题。目前储氢材料的研究主要有金属氢化物、碳材料、以及铝氢化物等体系，但出于性能及经济等各方面因素的考虑，商业上所用最多的储氢材料为LaNi₅体系，但该体系有个不可避免的弊端为储氢含量太少，仅为1.4wt％，难以满足日益增长的社会需求。而镁金属则由于其含氢量高(理论容量为7.6wt％)，并且资源丰富价格便宜，因此极有可能替代LaNi₅而成为新一代的储氢材料。

但是目前Mg单质作为储氢材料离实用化还有一定的距离。其首要问题是其吸放氢动力学性质太差，普通的镁颗粒需在400度的条件下吸放氢活化多次后才能在250度以上缓慢的吸放氢。另外，虽然经过多次的吸放氢活化，普通的镁单质仍然不能吸氢完全，制备的MgH₂含有一定的镁单质。目前主要采用机械球磨方法对其进行改进，通过球磨可以明显降低其晶粒大小以及增加其比表面积和缺陷来提高其吸放氢动力学性质。然而，由于金属的延展性，球磨得到的MgH₂的晶粒大小虽然可达到几个纳米，但是颗粒大小下降到1μm左右后不再继续减小。在这里需要指出的是晶粒是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。而一次颗粒是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，比如晶界。纳米颗粒一般是指一次粒子，是由多个晶粒聚合而形成的，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构，或多晶结构，只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸相同。而现有技术还不能制备单晶的MgH₂颗粒，所制得的MgH₂颗粒都是多晶聚合体，其尺寸大小在微米级以上。目前文献报道的纳米级MgH₂都指的是颗粒中的晶粒是纳米晶粒，见(1)Journal of Alloys and Compounds 366(2004)269-273，(2)J.Phys.Chem.B2006，110，11697-11703等。而MgH₂颗粒为纳米级的还未见报道。最近的研究表明Mg的吸放氢动力学性质与其颗粒大小具有接近于反比的关系，颗粒越小，其吸放氢动力学性质越好。因此制备纯度较高以及颗粒大小为纳米级的MgH₂颗粒具有很重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于作为储氢材料以及还原剂的纳米级MgH₂颗粒及其制备方法。所述的制备方法包括如下步骤：

(1)将镁块在低于1bar但大于等于0.5bar的惰性气氛中用电弧加热使其蒸发，镁蒸气脱离加热区域，成核并冷凝成粉体颗粒。

通常是将镁块放在封闭的反应腔(如等离子体电弧炉的反应腔)中，抽真空后通入惰性气体，气压优选0.9bar。所述的惰性气体包括化学元素周期表中的所有惰性气体：氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气。为了加快镁的蒸发速度，在起弧放电后可抽出一部分惰性气体，再通入一定量的活性气体如氢气或氮气，也可直接添加活性气体，条件是气体总压力维持在低于1bar但大于等于0.5bar的范围内，活性气体占整个体系的体积百分比为0～90％，优选方案为活性气体所占整个体系40-50％体积百分比。

(2)制粉完成后对镁粉进行钝化处理。

钝化的目的在于避免镁粉取出后发生剧烈氧化，通常的做法是将反应腔抽真空后以比较缓慢的速度向其中填充空气，保持数小时以上。

(3)将所制备的纳米级镁粉放入氢气反应炉中，在300～500℃与氢气反应，反应结束后冷却至室温，得到颗粒大小为纳米级的MgH₂颗粒。

上述合成氢化镁的方法可以是：将系统抽真空后，加热至设定的温度(300-500℃)活化镁粉1-3小时后通入10bar以上氢气，反应2小时以上后冷却至室温。活化温度优选为400℃，时间优选为1小时；与氢反应温度优选为400℃，反应时间优选为4小时。