[发明专利]非晶镁-钇-过渡族金属储氢材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储氢材料技术领域，具体涉及一种非晶镁-钇-过渡族金属储氢材料及其制备方法。

背景技术

在所有的金属和合金中，单质Mg储氢容量最高，其氢化物MgH₂的储氢量达7.6wt.％，并且具有资源丰富、价格低廉、质量轻等优点。因此，Mg及Mg基合金被认为是最有希望的燃料汽车等用的储氢材料。然而，Mg与Mg基储氢合金离实用化还有一定的距离。这主要是因为：(1)该类合金属于中温型合金，通常需要在600K左右才能有效吸放氢；(2)吸放氢速度较慢，即吸放氢动力学性能差。

通过细化显微组织结构或添加催化剂的方法能改善Mg与Mg基合金的储氢性能。人们一般通过机械球磨的方法制备非晶或纳米晶Mg与Mg基储氢合金。众所周知，球磨法制备非晶或纳米晶具有制备时间长(上百小时)、易引入杂质、产率低下和能耗大的缺点。溶淬法(甩带法)是制备非晶材料的有效方法之一。纯Mg的非晶形成所需冷却速度极高，目前的溶淬炉无法满足要求。稀土元素不但能降低Mg的非晶形成所需冷却速度，而且稀土元素在吸放氢过程中从非晶Mg合金中析出并对合金进行催化。因此，非晶镁-稀土系储氢材料被广泛研究[S.Loken，J.K.Solberg，J.P.Maehlen，et al.，J.Alloys Compd.446-447(2007)114.]。过渡族金属能弱化Mg-H键，因此，其对Mg与Mg基合金与氢的作用具有良好的催化作用[V.Skripnyuk，E.Buchman，E.Rabkin，et al.，J.Alloys Compd.436(2007)99.]。

金属钇具有稀土的性质，但资源较稀土丰富，其应用可降低成本。采用钇和过渡族金属联合添加，发挥钇和过渡族金属的协同作用，可以预见能更有效地改善Mg的储氢性能。我们发现，钇和过渡族金属按摩尔比1∶1联合添加的协同作用最佳。因此，本发明针对镁-钇-过渡族金属(Co、Ni、Cu)体系，并通过合理的溶淬工艺制备该体系的非晶材料。为了提高非晶形成能力，一般Mg在合金中的含量低于70at.％(原子比)，这不可避免地降低了合金的贮氢容量[Y.H.Zhang，D.L.Zhao，S.H.Guo，et al.，J.Alloys Compd.476(2009)457.]。本发明镁-钇-过渡族金属体系中Mg的含量在70～90at.％之间，不但能在温和的条件下有效获得非晶组织而且材料体系具有优良的综合储氢性能。

发明内容

针对现有储氢材料体系和制备技术问题，本发明提供一种非晶镁-钇-过渡族金属(Co、Ni、Cu)储氢材料及其制备方法。

本发明所提供的非晶镁-钇-过渡族金属(Co、Ni、Cu)储氢材料Mg的含量在70～90at.％之间，钇和过渡族金属按摩尔比1∶1联合添加的方式加入组成本发明所述的非晶镁-钇-过渡族金属(Co、Ni、Cu)储氢材料。

本发明所提供的非晶镁-钇-过渡族金属(Co、Ni、Cu)储氢材料的制备方法具体如下：

(1)首先采用感应熔炼炉熔炼钇-过渡族金属(Co、Ni、Cu)中间合金，在熔炼前按钇和过渡族金属摩尔比1∶1称取一定量的钇和过渡族金属原料，原料的纯度均不低于99.5％，其中对Y元素添加2wt.％的烧损；

(2)将纯度不低于99.5％金属Mg与熔炼后的钇-过渡族金属中间合金，按设计的成分称取后于真空单辊溶体快淬炉中重溶并快淬，其中对Mg元素添加18wt.％的烧损，在重溶快淬过程中炉内通入氩气保护，根据成分不同铜辊的表面转速在30～40m/s之间，溶淬法制备的材料为宽3mm、厚30-50μm的非晶态薄带；

(3)将制备的非晶态薄带在手套箱中研磨成粒度不等的粉末，根据用途不同，非晶薄带或粉末即可作为最终的储氢材料产品。

本发明的有益效果是：

1、与镁-稀土系储氢材料相比，Y和过渡族金属的添加降低了材料的成本。

2、合金体系中Mg的含量在70～90at.％之间，因此，合金的储氢容量大，基本能满足国际能源协会确定的未来新型储氢材料储氢量大于5wt.％的要求。

3、溶淬法制备的材料为非晶态，其细化了合金的显微组织增加了缺陷。在吸放氢过程中Y的氢化物和Mg-过渡族金属形成的氢化物以纳米颗粒的形态析出。它们的协同作用大大改善了合金的吸放氢动力学性能，特别是合金在323K即可较快吸氢。

4、该方法制备非晶Mg合金的制备工艺简单，成本低、效率高。

附图说明

图1非晶镁-钇-过渡族金属储氢试样的X射线衍射图。