[发明专利]储氢金属或储氢合金修饰的一维纳米碳储氢材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种储氢金属或储氢合金修饰的一维纳米碳高性能储氢材料，特别涉及经微波等离子体刻蚀的一维纳米碳表面上掺杂或沉积储氢金属或储氢合金所制备的高性能储氢材料。

背景技术

当前常用的储氢技术主要有压缩储氢、液化储氢、金属储氢及低温吸附储氢等。通常，压缩储氢的重量储氢比较低；液化储氢虽然在储氢容量方面有所提高，但要保持液氢状态，体系需要不高于-252.6℃的温度，能耗比较大，活性碳储氢也存在类似的问题。金属储氢的体积容量较大，氢吸附体积往往是储氢金属或储氢合金体积的100倍以上，但其重量储氢容量比较低，而且还存在着吸、放氢速度慢等问题。

纳米碳纤维、碳纳米管等一维纳米碳材料，因其工作温度低，工作压力适中，重量储氢比大、形状选择性好等优点，普遍引起各国学者的关注。1997年，美国Dillon等报道单壁碳纳米管(SWNTs)的氢吸附量比活性炭大的多，并推测SWNTs储氢容量为5～10wt％。1998年，美国Chambers等报导纳米碳纤维在12Mpa下储氢容量高达22.3升氢/克纳米碳纤维。1999年，新加坡Chen等报道掺杂Li、K的多壁碳纳米管(MWNTs)的储氢容量分别达到20wt％和14wt％。但事实上，Chambers和Chen等实验结果并没有可重复性，他们的实验结果被认为是受到了水的影响。近年来，日本丰田公司的发明专利中(JP10-072201)报道了一种储氢合金/碳纳米管(纳米碳纤维)复合材料的制备技术，在室温条件下，其储氢容量最高达到10wt％以上。此外，东芝公司还制备出掺杂碱金属离子的储氢合金/碳纳米管(纳米碳纤维)复合材料，其储氢容量为1～8wt％(JP 2001-146408)。近年来，我国在一维纳米碳的储氢方面取得了一定的进展。1999年，中科院沈阳金属研究所的发明专利中报道了制备的单壁碳纳米管的储氢容量为4.2wt％(ZL991122902.4)，纳米碳纤维具有高达10～12wt％的储氢容量(CN12779953A)。南开大学采用与丰田公司不同的方法制备储氢合金/碳纳米管复合储氢材料，其储氢容量为2.5～5.2wt％(WO01/53550A1，CN00100500.7)。但应看到，目前可被重复验证的碳纳米管或纳米碳纤维的储氢容量仅为1～4.5wt％，而且一维纳米碳储氢还需要10MPa以上的初始压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种储氢金属或储氢合金修饰的一维纳米碳高性能储氢材料及其制备方法。

实现本发明目的的储氢材料是在经过微波等离子体刻蚀的一维纳米碳表面上掺杂或沉积储氢金属或储氢合金制成的储氢材料。采用微波等离子体刻蚀的方法对一维纳米碳的表面进行刻蚀，从而由表及里地增加和增大氢的扩散通道，使更多的氢进入到一维纳米碳的内部，之后，在经过刻蚀的一维纳米碳表面上掺杂或沉积储氢金属或储氢合金。储氢金属或储氢合金的主要作用是通过催化、吸附或吸收作用将氢分子转化氢原子，以加快氢向一维纳米碳内部扩散速度，减小氢的扩散阻力，不仅提高一维纳米碳材料的储氢性能，而且在室温、5～7MPa条件下，氢的储、放平台趋好。因此，储氢金属或储氢合金修饰一维纳米碳高性能储氢材料在一定程度上弥补了因单独使用一维纳米碳或储氢合金材料储氢的不足。

本发明所述的一维纳米碳是碳纳米管或纳米碳纤维，或二者的混合物。其中，碳纳米管是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。单壁碳纳米管采用氢弧放电法制备，多壁碳纳米管及纳米碳纤维均通过催化裂解法制备。本发明同样适用于其它方法制备的一维纳米碳材料。

本发明所述的微波等离子体刻蚀主要在微波等离子体发生装置上进行。该装置的主要工作参数是：刻蚀功率通常为0.3～3Kw，刻蚀温度300～1500℃，处理气压6.0×10²～6.0×10³Pa，刻蚀气体为氢气，条件气体为氮气或氩气或二者的混合气。在氮气或氩气条件下，氢气比例大于80％，氮气或氩气小于20％；对于混合条件气体，氮气和氩气的总和不大于20％。

本发明所述的储氢金属，包括周期表中I_a～IV_b族放热溶解型金属，V_b～VIII族除放热溶解型金属Pd以外的吸热溶解型金属。所述的储氢合金是晶态稀土镍系AB₅型合金、锆基或钛基Laves系AB₂型合金、钛镍系和钛铁系AB型合金、镁基A₂B型合金；或是上述储氢合金的任一种或两种以上的二元或多元非晶储氢合金。