[发明专利]一种金属氨基化合物的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属氨基化合物的制备技术，具体是为合成金属氨基化合物提供一种操作简单、安全可靠、成本低的制备方法。

背景技术

近年来，世界范围内的能源危机及环境恶化促使人们建立更高效的、可循环再生的新能源体系。氢由于其储量丰富，燃烧热值高以及无污染而成为未来能源体系的重要组成。对氢能的利用需主要解决氢气的制备，储存，运输等几个关键技术，这其中储氢技术是相对较为薄弱的环节。尤其目前汽车工业面临转型，在其开发新能源汽车，如氢燃料电池汽车，氢内燃机汽车等过程中，移动氢源问题及储氢系统开发是急需克服的瓶颈技术之一，各大汽车公司及国家科研机构均投入巨资用于新型储氢材料的开发与研究。碱金属及碱土金属氨基化合物（amide）-氢化物（hydride)体系是新近研发的一类高效储氢材料。相较于传统的过渡金属合金化合物，该材料体系具有更高的储氢能量密度，能部分满足美国能源局制定的车载储氢系统技术要求。如氨基镁-氢化锂（Mg(NH₂)₂-LiH）体系可在180摄氏度下可逆吸氢5.5％重量比。美国Sandia国家实验室通过测试，证实其循环寿命在200次以上。热力学推算该储氢体系一大气压平衡压力对应的脱氢温度可低至90摄氏度，已达到质子交换膜燃料电池的操作温度范围。实验上，通过添加钾催化剂，极大地降低了Mg(NH₂)₂-LiH体系脱氢动力学阻力，循环吸脱氢温度可降低至107摄氏度，已十分接近理论值。目前该体系已成为美国，日本开发实用储氢技术的目标体系，而国内在研的973储氢项目中，该体系亦已被用于放大，装罐，达成实用测试。针对amide-hydride储氢体系的快速发展及后续可能的应用，作为原料之一的碱金属及碱土金属氨基化合物的制备工艺开发就变得极为重要。相对于可广泛购买的各类氢化物，目前商业的氨基化合物产品极为有限，只有氨基锂（LiNH₂）和氨基钠（NaNH₂），且价格昂贵，极为不利于amide-hydride体系在储氢技术上的应用。传统的金属氨基化合物制备方法主要采用直接氨化金属颗粒技术，即加注液氨至装有金属颗粒的高压反应釜中，在高温（>300摄氏度）、高压（>1Gpa）下合成。该方法的难点在于所采用的液氨在高温下会产生极高压力，这对反应器的安全性有极高要求。由于一般制备过程均采用反应釜承压，釜体内体积不易设计过大，因而导致批次产量不可能高。此外，由于需借助高氨压促进反应，氨严重过量，使得在合成结束后还需回收剩余液氨，操作上较为复杂。因而急需开发一种廉价的，易操作的，安全可靠的制备工艺用于氨基化合物的生产。

发明内容

本发明力求提供一种操作简单、安全、低成本的金属氨基化合物制备方法。具体内容是，采用自制球磨罐实施氨气封闭气氛下球磨，球磨过程中随着金属或金属氢化物尺寸的减小，其与氨气迅速反应，从而避免原料粘连。由于降低了颗粒尺寸以及反应动力学阻力，球磨方法可以确保热力学允许的反应过程进行完全，这十分适合氨与金属及金属氢化物间的放热反应。由此，通过控制罐体中氨气总量，达成其与金属或金属氢化物间化学计量反应，实现了球磨过程中直接合成目标氨基化合物。由于球磨产物通常为非晶，可将制得的粉末于氨气气氛中低压焙烧，从而获得结晶化的金属氨基化合物。

前述的金属氨基化合物化学通式为M_x(NH₂)_y，式中M为元素周期表所有碱金属和碱土金属，以及Al等主族第三族元素的一种或其中任何两种元素的组合，其中0<x≤4，0<y≤20。

前述的特制球磨罐为可密封的、承压的不锈钢罐，罐盖上装有与罐内连通的阀门，用于向罐内通入气体及罐内气体的排放。