[发明专利]一种制备纳米限域镁基储氢材料的方法

说明书

技术领域

本发明通过介孔骨架材料将储氢材料限域在纳米孔道中，属于清洁能源材料技术领域。

背景技术

能源短缺和环境污染成为当今世界面临的最严重问题，清洁能源和可再生能源的开发迫在眉睫。尤其是近年来“雾霾”对人们生活的影响和生命安全的威胁已日益加重，由此可见，寻找新的清洁能源无论对整个世界还是对我国的可持续发展都有着特别重要的意义。氢是一种理想的低污染或零污染的清洁能源，氢燃料汽车的发展虽困难重重，但作为长期目标来看终将是解决城市大气污染的最重要途径之一。美国能源部(DOE)新修订的储氢标准为：到2017年，储氢系统的质量储氢密度为5.5wt.%，体积储氢密度达到40g/L。目前所研究的金属氢化物、碳材料、介孔材料、复合氢化物及化学氢化物等多种储氢体系均无法满足车载氢源的要求。现实问题是: 含氢量较高的储氢体系吸放氢温度高且吸放氢动力学差，而放氢温度较低且动力学吸放氢速率较高的材料储氢容量又较低。另外，一些化学氢化物的含氢量虽然较高，放氢温度也较低，但大多化学氢化物放氢产物不可逆或部分可逆吸氢，并且由于释氢纯度和放氢动力学问题也难以满足要求。金属镁（Mg）由于其较高的理论储氢容量（7.6 wt.%）和储放氢反应简单可控而备受关注。然而，由于氢化镁（MgH₂）在1个大气压下放氢温度接近573K(ΔH=75kJ mol^-1 H₂)，而且动力学吸放氢速率极其缓慢，故其距满足车载氢源的要求尚有很大距离。

目前提高Mg吸放氢性能的方法主要有掺杂催化法和纳米晶化，然而这两种方法很大程度上提高了Mg的吸放氢动力学速率，甚至实现了Mg在室温下吸氢，但都没有改变其放氢热力学，也就是说放氢温度仍然维持在523K以上。研究表明，当MgH₂团簇尺寸降低到10nm以下时，MgH₂的放氢热力学会得到很大的改善。为解决这一问题，我们采用介孔骨架材料“纳米限域”MgH₂来抑制颗粒的烧结和团聚。一方面可以获得比球磨法更细小的颗粒，另外一方面又可使反应物之间保持良好的接触。通过高压反应法，制得的纳米限域MgH₂大大的改善了Mg的吸放氢动力学、尤其是放氢热力学，实现了Mg在室温下就可以放氢。

发明内容

本发明针对Mg吸放氢速率慢、放氢温度高，提出了一种高效制备纳米限域镁基储氢材料的方法，该储氢材料为MgH₂颗粒负载在介孔骨架材料纳米孔道中，制备工艺简单、原料成本低、反应条件容易控制，由于“纳米限域”很好的抑制了MgH₂团簇的烧结和长大，以及Mg与不饱和C之间的相互作用，使得Mg的吸放氢动力徐和放氢热力学得到了很大的改善。

本发明的技术方案：

    一种高效制备纳米限域镁基储氢材料的方法，所述的储氢材料为介孔骨架材料负载MgH₂颗粒，制备步骤如下：

(1)在433~523K下真空干燥介孔骨架材料,除去在纳米孔道中的气态杂质和湿气，干燥6~12h；

(2) 将步骤(1)所述的干燥后的介孔骨架材料置于高压反应釜,取一定量的二丁基镁与介孔骨架材料混合（其中，负载的镁与介孔骨架材料的质量比为20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20、90:10）；将高压反应釜用H₂低压洗气6~10次，使得高压反应釜中的Ar全部置换为H₂；在高压反应釜中调节H₂压力至4MPa开始升温并搅拌，搅拌速度为400~600rmp/min；当温度升到443~473K后，调压至5~6MPa，反应24h；

(3)将步骤(2)所述制备后的样品冷却、减压，在手套箱中将悬浮的液体移去，得到嵌入介孔骨架材料中的MgH₂凝胶；取一定量的戊烷与凝胶溶解并电磁搅拌3~6h，洗去负载在介孔孔道外的MgH₂，待凝胶沉淀后，移去戊烷；重复此过程；

(4)将步骤(3)洗涤完的介孔骨架材料凝胶在353~373K下真空干燥6h即可得到负载在介孔骨架材料纳米孔道中的MgH₂。

所述的一种高效制备纳米限域镁基储氢材料的方法，其特征在于，被限域的MgH₂的尺寸分布在1~2nm之间。