[发明专利]两步法镍掺杂及碳介孔骨架纳米限域的氢化镁储氢材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明通过镍元素掺杂的介孔骨架材料将氢化镁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

当今世界为了解决能源短缺、环境污染和经济可持续发展，人们在竭力寻找可替 代的清洁能源和可再生能源。近年来“雾霾”成为人们最痛恨的污染，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。氢能燃烧产物为 水，是一种理想的低污染或零污染的清洁能源，能量密度高(142MJkg^-1)，虽然氢燃料汽车 的发展困难重重，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，储氢系统的体积储氢密度达到40g/L，质量储 氢密度为5.5wt.%。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，因为含氢量较高的储氢体系不仅吸放氢温度 高，而且吸放氢动力学差，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。金属镁（Mg）理论储氢容量高（7.6wt.%）、可逆性好、储放氢反应简单可控而备受关注。 然而，由于氢化镁（MgH₂）动力学吸放氢速率缓慢，在1个大气压下放氢温度接近573K(ΔH= 75kJmol^-1H₂)，故其距满足车载氢源的实际应用要求尚有很大距离。

提高Mg吸放氢性能的手段主要由以下两种：一种是通过加入催化剂或添加剂进行 机械球磨改性；另一种方法是Mg晶粒的纳米化，用介孔骨架材料纳米限域MgH₂来抑制颗粒 的烧结和团聚是一种有效的方法。DipenduSaha等人系统研究了有序介孔碳掺杂Pd、Pt、Ni 和Ru后的储氢性能，发现掺杂镍元素之后的有序介孔碳在低压800Torr氢压力下较纯有序 介孔碳吸氢速率高出2.7~5.4倍，而在高压300bar氢压力下高出1.38~3.4倍，掺杂镍元素之 后储氢性能得到极大提高。而YiJia等人将MgH₂限域到有序介孔骨架上，得到的CMK3–MgH₂储氢体系，放氢温度及放氢动力学均得到很大的提高。实验证明，该体系在50℃就可以放出 氢气。事实上，将金属活性组分通过不同制备方法负载到有序介孔碳中，可以制备出金属负 载型有序介孔碳催化剂，其具有较高的比表面积、独特的孔道结构、较窄的孔径分布范围和 良好的水热稳定性及机械稳定性等优点，因此在催化、储氢材料、吸附分离和电极材料等领 域受到广泛关注。特别的，很多情况下双元素共掺杂因其协同效应而表现出更好的性能。无 一例外，所有这些杂化原子掺杂都是通过调整碳材料的电子结构特性来优化其性能的。通 过上面的分析可以看出，耦合纳米限域和镍元素杂化原子掺杂是改善氢化镁的吸放氢动力 学、尤其是改善氢化镁的放氢热力学的可能途径。

发明内容

本发明针对Mg吸放氢速率慢、放氢温度高，提出了用镍元素掺杂对纳米限域镁基 储氢材料性能进行改善，该储氢材料为MgH₂颗粒负载在掺杂镍元素的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，“纳米限域”很好的抑制了MgH₂团簇 的烧结和长大，由于Mg与介孔骨架材料之间的相互作用，以及催化强的活性镍元素的影响， 使得Mg的吸放氢动力学和放氢热力学得到了很大的改善。

本发明的技术方案如下所述。

一种两步法镍掺杂及碳介孔骨架纳米限域的氢化镁储氢材料的制备方法，其特征 在于具有如下的制备过程和步骤:

A.制备镍掺杂的碳介孔骨架材料

a.将蔗糖与介孔硅SBA-15按照5:4的质量比溶于稀硫酸中，电磁搅拌6h，置于373~ 433k烘箱中干燥24h；

b.干燥后样品在473k下预烧6h，之后在1073~1173温度下高温烧结5h，得到的介孔材 料用稀氢氟酸清洗8h以除去硅，干燥后制得碳介孔骨架材料备用，其孔径为2~6nm；

c．进行镍掺杂，用硝酸镍作为镍源，镍与碳介孔骨架材料按照1:50~1：20的质量百分比 进行杂化，并加入到硫酸溶液中，使碳介孔骨架材料基体中弥散掺杂元素镍，一步法合成镍 掺杂的碳介孔骨架材料；

B.将氢化镁负载到镍掺杂的碳介孔骨架材料上