[发明专利]单金属掺杂改性花簇状纳米四氧化三铁储氢材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米四氧化三铁储氢材料的制备方法，特别涉及单金属掺杂改性纳米花簇状四氧化三铁储氢材料及其制备方法，属于固体氧化物储氢材料领域。

背景技术

能源和环境是目前人类社会面临的两大基本问题。氢以其储量丰富，可再生，污染物零排放等优点，被各国科学家视为解决能源和环境的金钥匙。上世纪90年代起，许多发达国家都制定了系统的氢能开发与应用研究计划。由于氢气化学性质活泼，容易发生爆炸，所以氢气的储运一直是制约氢能应用的瓶颈。目前的储氢方法主要有：高压罐式储氢、高压液化储氢和固体储氢。其中，固体储氢被认为是最安全、有效的储氢方式。理想的固体储氢材料对氢气的存储容量有DOE标准(6.5wt％或62kg H₂/m³)和IEA标准(5wt％或50kgH₂/m³)。现有的固体储氢材料主要有储氢合金、金属氢化物、配合物、硼氢化物、各种碳材料如碳纳米管等。

2002年日本东京工业大学大塚洁教授报道了以三氧化二铁为原料的储氢技术，开创了铁氧化物储氢技术的先河，其利用“尿素法”通过添加Al³⁺等催化剂与Fe(OH)₃共沉淀经灼烧后制备出的Fe₂O₃可使产生氢的温度由500℃降至350℃左右(Otsuka，K.；Kaburagi，T.；Yamada，C.；Takenaka，S.J.Power Sources 2003，122，111)，但其放氢温度和循环稳定性仍不理想，其平均储氢量为4.1wt％(理论值为4.8wt％)。王惠教授利用市售铁粉和Fe₂O₃粉为原料，通过浸渍法对其进行了改性，通过添加Zr⁴⁺，Al³⁺等催化剂，降低反应温度在300℃附近。储放氢循环稳定性也大幅度提高(H.Wang，G.Wang，X.Z.Wang，and J.B.Bai，J.Phys.Chem.C.2008，112，5679.)。

目前所使用的铁氧化物储氢材料主要是微米级三氧化二铁为主，而对于四氧化三铁尤其是纳米级四氧化三铁储氢研究鲜见报道。本发明利用水热法合成了花簇状纳米级四氧化三铁，其比表面积高达83.63m²·g^-1。此种花簇状纳米四氧化三铁的合成方法及其浸渍法改性后储氢性能的研究未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种花簇状纳米四氧化三铁的制备方法；

本发明的另一目的是提供一种储氢量高、放氢温度低、循环储-放氢次数多以花簇状纳米四氧化三铁为基质的改性四氧化三铁储氢材料。

本发明的实现过程如下：

一种花簇状纳米四氧化三铁，其特征在于：花簇状纳米四氧化三铁纳米晶须长度为200-500nm，直径为30-70nm，BET比表面积为83.63m²·g^-1。

一种花簇状纳米四氧化三铁的制备方法，包括如下步骤：

(1)将可溶性三价铁盐，还原剂抗坏血酸，沉淀剂尿素和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶于水，形成均一溶液，控制Fe³⁺与抗坏血酸摩尔比为1∶1～1.2，Fe³⁺与尿素摩尔比为3∶10～20，Fe³⁺与十二烷基苯磺酸钠之间的摩尔比为70～80∶1，Fe³⁺浓度为0.10～0.15mol/L；

(2)上述溶液在110℃～130℃水热反应10～24小时；

(3)反应完成后，固体粉末用蒸馏水洗涤，60℃真空干燥即可。

单金属掺杂改性花簇状纳米四氧化三铁储氢材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将合成得到的花簇状纳米四氧化三铁加入煮沸后的蒸馏水中中速搅拌使其分散；

(2)将金属摩尔百分数为3～5％的Cr、Mo、Al、W、Ni、Co、Ti、Zr、Cu、La、Ce、Pr或Nd金属可溶性盐溶于水，缓慢滴加入步骤(1)的溶液中，滴加速率约为每分钟2ml，持续中速搅拌；

(3)加热上述溶液，控制其加热温度为80-85℃，蒸发溶液中水份；

(4)残留物于60℃真空干燥6小时，得黑褐色粉末；

(5)黑褐色粉末于350～500℃惰性气氛下煅烧。

所述惰性气氛为Ar或N₂，确保相应金属盐转化为金属氧化物，一般8-10小时。