[发明专利]一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Mg‑TM超多层复合储氢薄膜及其制备方法。该Mg‑TM超多层复合储氢薄膜，为Mg与TM原子层交替沉积成膜的Mg‑TM复合薄膜，且Mg‑TM复合薄膜的外表面具有Pd封盖层；所述TM为过渡族金属元素Ti、Ni或Nb。本发明采用廉价的超高真空磁控溅射系统的半共溅射工艺方法制备Mg‑TM超多层复合储氢薄膜，制备工艺简单，成本低廉，可重复性好，制备得到具有Mg明显择优取向的高质量Mg‑TM超多层复合储氢薄膜，且制备的薄膜具有更低的吸/脱氢温度和更快的吸/脱氢速率，在423K的温度以及1.15MPa的氢压下，500s吸氢量达到3.4wt％；在423K的温度下，600s脱氢量达到2.1wt％。

技术领域

本发明属于金属功能薄膜材料技术领域，具体涉及一种Mg-TM超多层复合储氢薄膜及其制备方法。

背景技术

能够在一定的温度和压强下可逆吸/放氢的材料称为储氢材料。化石能源属于不可再生能源，且由于化石能源带来严重的环境问题，亟需新型可再生清洁能源来取代化石能源。氢能作为新型的清洁能源，其能量密度高达142MJ/Kg，是汽油燃烧热量的3倍，且副产物只有水。氢气生产的相关技术已经相对成熟，而为了使氢能源得到实际利用，关键是储存。目前，相关研究报道的主要是固体储氢材料，如以LaNi₅为代表的AB₅型储氢合金，虽然室温下能够可逆吸/放氢，但是质量储氢密度低且生产成本高；以ZrV₂为代表的AB₂型储氢合金，虽然理论储氢量大，但是脱氢十分困难；以TiFe为代表的AB型储氢合金，虽然吸/放氢反应可以在较温和条件下进行，但是活化条件苛刻、活化周期长且理论储氢量不高；以Mg₂Ni为代表的A₂B型储氢合金，由于金属Mg具有高达7.6wt％的储氢容量，而加入过渡金属元素Ni，使Mg₂Ni在保持较高储氢容量情况下表现出优良的动力学性能，但是在1bar的氢压下仍需要高达573K的反应温度。Mg-TM(TM＝Ti，Ni，Nb)超多层复合储氢薄膜结合了Mg的高储氢容量和TM对吸/放反应的催化作用得到了具有优良动力学性能的Mg基储氢材料，并通过特殊的Mg-TM结构大幅降低了其脱氢温度，其在氢气的储存与运输方面具有良好的应用前景。

Jung H等公开了一种Pd/Ti/Mg/Ti储氢复合多层膜及其制备方法，多层膜沉积在石英玻璃片上，为了实现Pd/Ti/Mg/Ti多层膜的结构，其溅射过程中需要频繁转换靶位，另外溅射完成后需要从石英玻璃片上刮取有效薄膜成分进行储氢性能测试(Jung H，Cho S，Lee W.Enhanced hydrogen storage properties of Pd/Ti/Mg/Ti multilayer filmsusing the catalytic effects of Pd.Appl Phys Lett 2015；106：193902.)。上述Pd/Ti/Mg/Ti储氢多层膜制备工艺复杂，且该多层膜在423K的温度和30bar的氢压下最快也需要23min才能完成吸氢，吸氢速率不快，而且没有脱氢动力学性能的测试。Huang WC等公开了一种采用磁控共溅射方法制备的Mg/Nb储氢复合薄膜，该工艺过程可以实现Mg和Nb的同时沉积，工艺简便，但共溅射的工艺方法对磁控溅射设备要求较高，采用的是英国进口的Mantis磁控溅射系统，设备单价达213万元(Huang WC，Yuan J，Zhang JG，Liu JW，Wang H，Ouyang LZ，et al.Improving dehydrogenation properties of Mg/Nb composite filmsvia tuning Nb distributions.Rare Met 2017；36(7)：574-580.)。所以，上述Mg/Nb储氢复合薄膜制备成本很高，而且在473K的温度和3MPa的氢压下需要8min才能完成吸氢，吸氢速率不快；而在493K的温度下需要100min以上才能完成脱氢，脱氢温度高。

因此，采用工艺更简单高效、成本低廉的方法，制备更低温度吸/脱氢温度和更快的吸/脱氢速率的储氢复合膜材料显得尤为重要。

发明内容