[发明专利]一种高温直接法制备轻稀土氢化物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备轻稀土氢化物的方法，具体涉及使用高温直接法制备轻稀土氢化物的方法，属于氢金属材料制备领域。

背景技术

能源是世界新技术革命的三大支柱之一，随着人类社会发展和科技进步，人类对于能源的需求越来越大。与此同时，化石燃料由于资源不可再生，同时伴随有严重的环境污染，存在着巨大的局限性，已经难以适应现代科技的发展需要。科学家一直致力于寻找清洁高效的能源来取代化石燃料，太阳能、风能、氢能、核能等清洁能源因此应运而生。在这几种能量获取形式中，太阳能和风能具有气候局限性，核能的大规模可控利用还需要很长的路要走，就目前来看，氢能燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，是酒精的3.9倍，是焦炭的4.5倍，资源丰富而又清洁高效，更加适应当下全球可持续化环保节能发展需要，被认为是最具有使用前景的常规化学能源载体。氢能使用的最大困难和技术关键在于如何解决工业化大规模安全贮存和运输问题。

氢能最有发展前景的办法是将某些金属与氢气在一定温度和压力条件下反应结合并生成金属氢化物。轻稀土元素材料密度较高，轻稀土与氢原子具有很好的亲和性，轻稀土氢化物单位体积的含氢密度为液氢密度的1～3倍，是制备金属氢化物的很好选择。与此同时，轻稀土元素与氢元素皆有很高的燃烧热值，稀土氢化物作为高能材料在含能材料领域也有着巨大的应用潜力。轻稀土氢化物的制备方法在此之前有过许多报道，主要是对镧和少量的铈的氢化，但大多数是将稀土制备成合金的形式再进行氢化，稀土合金容易在稀土中引入杂质，导致难以回收利用，不利于长远发展；也曾有对单质镧和铈进行直接氢化而制备氢化物，但是其多为二价氢化物，三价多为非化学计量氢化物，未见四价稀土氢化物制备的报道，由于制备难度大、纯度较低的问题一直限制了镧和铈氢化物的发展与应用；其他轻稀土制备氢化物及应用未见报道，而高温直接氢化制备高纯度轻稀土氢化物的方法和相关技术工艺没见文献报道。

轻稀土氢化物的制备方法、制备能力和制备技术是决定其未来规模发展的关键，目前尚未有轻稀土氢化物制备方面的相关专利。中国拥有世界上最丰富的稀土矿产资源，这为轻稀土氢化物的制备和应用奠定了坚实的基础。本发明是用高温直接氢化法制备高纯度轻稀土氢化物的技术和相关工艺方法，与现有的镧和铈氢化物制备方法相比，具有本质区别于不同，本发明解决了工业化制备技术和氢化物制备纯度问题，同时解决制备装置等一系列关键技术，为工业化大规模安全制备轻稀土氢化物及其应用具有重大意义。

发明内容

本发明目的是为了解决困扰在轻稀土氢化物制备过程中的关键技术，而发明一种高温直接法制备轻稀土氢化物的方法。本发明是用高温直接氢化法制备高纯度轻稀土氢化物的技术和相关工艺方法，与现有的镧和铈氢化物制备方法相比，具有本质区别于不同，本发明解决了轻稀土氢化物工业化制备技术及氢化物制备纯度问题，同时解决了轻稀土氢化物的制备装置等一系列关键技术，为工业化大规模安全制备轻稀土氢化物及其应用提供了技术支持。

本发明通过以下技术方案实现一种高温直接法制备轻稀土氢化物的方法，具体制备步骤如下：

1)在惰性气体保护气氛下，取纯度大于99％,粒径为2～15mm的轻稀土100～5000g，置于石英玻璃试管中，用橡胶塞密封试管口；

2)将第1)步试管置于能够抽真空并连接有氢气和惰性气体的加热炉舱中，在惰性气体气氛下迅速取下橡胶塞，关闭炉舱；

3)用惰性气体赶尽舱内，反复操作2～10次，抽取加热炉中气体，达到负压0.010～0.001MPa，然后关闭抽气阀门；

4)在负压状态下，以2～20℃/min的升温速率迅速将炉舱温度加热，控制在5～60min内将炉舱温度加热至200～600℃，打开氢气阀门，向反应炉内输入高纯氢气，控制氢气流入量为200～10000ml/min，继续升温速度加热至300～1000℃停止升温；

5)恒定氢气流速，从第4)步加氢开始共反应100～500min后，保持该温度再继续反应，直至氢气压力表与加热反应炉内的压力完全处于平衡后；此时再次升温2～50℃，氢气压力表仍然无波动，表明炉内氢化反应达到终点；

6)制备高价稀土氢化物时，当氢气压力表与加热反应炉内的压力完全处于平衡后，再次升温50～200℃，再度继续输入氢气，氢气压力表仍然无波动时，表明炉内高价稀土氢化物氢化反应达到高价反应终点；