[发明专利]镁基储氢薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于储存能量的薄膜，具体地指一种镁基储氢薄膜及其制备方法。 

背景技术

化石燃料的替代能源已经受到越来越多的关注，社会、政府、企业以及科研机构都逐步认识到其重要性，而氢能作为一个可不断再生、安全、清洁的可替代能源，从安全、方便以及能量密度的角度考虑，储氢材料更倾向于利用金属吸附氢从而形成一个不易爆炸的金属氢化物固体。美国能源部已经推出了关于对低温储氢合金和储氢碳材料的相关研究任务。使用氢能源燃料电池作为汽车的动力，要求储氢系统的储氢容量达到6.5wt%或者60kg/m³，并且储氢系统的一次形成要超过350英里。 

金属氢化物储氢，某些过渡金属、合金、金属间化合物由于其特殊的晶格结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进入金属晶格的四面体或者八面体间隙中，形成金属氢化物。其储氢体积密度大，可达100kg/m³，但质量较大，并且在放氢时的条件严苛，因而成本较高。所以开发出一个又轻又便宜，放氢过程不需要过高的温度，并且能够多次循环吸放氢的材料是十分必要的。 

镁是一种良好的储氢材料，在一定的条件下能够吸放氢，但是要被广泛应用，其苛刻的吸放氢条件、高昂的储氢成本让人对其望而却步。研究发现，有三种最有效的方法能够改变其苛刻条件： 

1、加入催化金属层，使氢气更容易分解为氢原子； 

2、降低镁的颗粒尺寸，比如纳米结构能够显著增加镁的氢化速 度，我们可以认为是比表面积增大，加速金属镁与氢原子的氢化反应速率； 

3、镁与其它元素（例如Ni等）的合金可以进一步转变吸放氢反应的热动力学性能。 

所以研究一种能同时满足以上三点条件，并且使用低成本的、资源丰富的原材料制备储氢材料，是十分有意义的。 

储氢合金需要有一个对氢气具有强大吸附力的元素并且可以与氢分子结合成一个复合态。储氢合金主要包括：稀土金属、钛系、锌系和镁系，或者被归类于上述主要组成元素的几种原子比例：AB、A₂B、AB₂、AB₅、A_xB、AB_x（A是氢的结合元素，B是具有催化作用或者其它特殊作用的元素）。镁基金属间化合物是一种典型的合金，镁作为基底与第二种元素结合，有的甚至是多种元素相结合。镁基金属间化合物主要与Ni、Ti、V和Cu等结合用作储氢材料。 

催化材料（同时具备防腐蚀功能）与吸放氢材料的融合方式也一直都处于不断试验的阶段，通常采用的两种方法是：湿化学法以及机械球磨法，采用前驱体添加项为过渡金属化合物或元素态过渡金属粉末。用上述方法虽然可行，但是催化体系在成分构成或催化相复合结构等方面却有诸多问题。湿化学法易导致实际储氢量降低并且在加入有机配体时，在加热过程中整个催化体系易受到碳氢化合物影响污染氢源；在球磨过程中，难于获得理想的催化相复合结构，没有良好的储放氢动力学性能。 

物理沉积法有其独特的优势，可以简易地使催化层达到纳米级，而也可以得到纳米级的镁基合金，并且此方法简便易行，具有低成本的特性，对于制备储氢材料来说，是一种尚佳的选择。并且通过一系列的验证得出，催化剂以及储氢材料的储氢性能随其尺寸的减小而显著提高，当储氢材料的颗粒尺寸达到纳米级时，其放氢温度大幅降低，有效地改进了储氢材料的储氢性能。但是由于薄膜本身的特性，若是 没有除去基底物质，那么其有效储氢量非常低，甚至不足1%。虽然薄膜的厚度在储氢质量比上有很大的优势，但也正因溅射薄膜而导致了其有效储氢量低，循环次数少等缺点。一般镁基储氢材料为了提高储氢效率，需要其中有催化与扩散功能的材料，从而可以更快且更高效地储放氢，但是所需金属材料越多，那么在制备靶材的时候就越困难，并且容易导致靶材混合不均匀的问题，也造成了最终有效储氢量低，而将储放氢反应材料、催化材料、扩散材料分层溅射，就会避免这些问题，使得每一个材料都有效的发挥其功能，并且可以显著提高材料的实际储氢量。 

微波热处理法，一般常见于处理无机非金属或者高分子聚合物，但是在进行一系列的条件设置后，发现对于金属合金，特别是金属催化剂的催化效果的提升，微波热处理法也是有显著的效果的，可以增强催化层与反应层之间的相互作用，从而显著提高金属催化剂的催化效果。而为了使储氢材料所需要的催化层、扩散层以及反应层之间发挥更好的储氢效果，选择用微波热处理法可以加强储氢薄膜材料层与层之间的互相作用。 

目前，还没有关于将物理沉积法和微波热处理法联合处理的报道。 

发明内容