[发明专利]一种Ce-Mg-Ni低压贮氢合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ce‑Mg‑Ni低压贮氢合金材料及其制备方法，该合金材料为Ce₂₃Mg₄Ni₇单相合金，具有长程有序的超点阵结构，其相丰度大于90%，该合金通过感应熔炼制备后经热处理制备而成，该方法步骤易于控制，周期短，低温低压下具有良好的吸放氢动力学性能，该合金可在常温、0.05bar的条件下吸氢，将其制作成燃料电池负极材料后，具有吸氢温度低、加氢压力小和安全性能高等优异性能。

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，涉及一种Ce-Mg-Ni低压贮氢合金材料及其制备方法。

背景技术

近年来，全国大范围地区均出现不同程度的雾霾天气，华中华北大部分地区都早已升级为六级污染，南方各地区也难以幸免于难，污染范围广，程度深，情况十分严重。究其原因与化石能源的不合理利用息息相关。人们在不断寻找储量丰富的新的“含能体能源”，氢是宇宙中分布最广泛的物质，氢能具有清洁、高效等特点，是一种理想的新“含能体能源”，开发氢能已受到各国学术界和政府的高度关注。

稀土-Mg基贮氢合金作为提供车载动力的新型氢燃料电池被人们广泛研究，在多年的尝试与研究中发现，含有Mg的贮氢合金具有较为可观的贮氢容量，同时伴随有较差的动力学性能，其中最为难以克服的就是氢的吸脱附温度问题，因为Mg无论是在吸氢过程或是放氢过程中都要在接近400℃下进行。Ce作为一种轻型稀土与Mg形成固溶体极大地改善了这一弱点，使得吸放氢动力学有一个量级的提高。近来研究发现，Ce、Mg和Ni可形成长周期的有序结构大幅降低合金与氢之间的吸脱附温度，这对于提高合金的贮氢性能至关重要。为制备长程有序的Ce-Mg-Ni合金，文献Journal of Power Sources 338 (2017) 91-102. 和文献International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 14329. 报道了通过机械球磨制备的非晶/纳米晶复合材料，前者研究的材料吸放氢温度为300℃，且在30bar条件下发生；而后者的研究吸放氢温度能降低到150℃，相应的压强条件为25bar；同时显示含有Ce、Mg和Ni元素的复合材料在常温下基本不与H发生反应，而且在机械合金化过程中难免有少量元素发生氧化，这对材料的储氢容量与吸放氢温度都会有影响。在已知的储氢材料研究中，Ce、Mg和Ni分别与H可形成的氢化物为CeH_2.73 、MgH₂以及Mg₂NiH₄，该系列合金具有极好的储氢潜力，再加上Ce与H的二元相图显示其形成氢化物的温度较低，而Ni的加入有效提高H原子的释放，故寻找一种低温低压的储氢合金成为Ce-Mg-Ni的首选。

目前稳定的Ce-Mg-Ni三元合金研究较多，作为贮氢材料使用的不明确，这里Ce与H接触时反应的热力学条件极好，但高温时动力学性能较差，这可能是由于高温下CeH_2.73化合物迅速在表面堆积不利于H的进一步扩散，可在低温条件下，储量较少的H会在Ce内部迁移，形成低温低压下良好的H吸脱附线路。此外在稀土-Mg合金熔炼过程中存在一定的难度，主要是由于Ce，Mg的挥发，没有适当的合理的工艺，就不能很好的控制合金成分，这种缺陷也将遗传到后续合金的贮氢功能上，尤其是超点阵结构。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种Ce-Mg-Ni低压贮氢合金材料及其制备方法，该合金材料为Ce₂₃Mg₄Ni₇单相合金，具有长程有序的超点阵结构，其相丰度大于90%，通过感应熔炼制备后经热处理制备而成，该方法步骤易于控制，周期短，低温低压下具有良好的吸放氢动力学性能，该合金可在常温、0.05bar的条件下吸氢。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：