[发明专利]一种纳米石墨复合的高容量RE‑Mg‑Ni基贮氢材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于贮氢合金材料技术领域，特别涉及一种添加纳米石墨（NG）助剂的燃料电池用高容量RE-Mg-Ni基贮氢复合材料及其制备技术。

背景技术

作为真正意义上“零排放”的清洁能源，氢燃料电池在发达国家已从实验室真正走向了产业化。同时具备贮氢密度大、吸放氢动力学性能好、吸放氢热力学条件温和、循环稳定性良好、安全性能高、价格低廉等是贮氢材料实际应用必须的要求。

镁基合金由于贮氢密度高及资源极为丰富等特点，被公认为是最具潜力的贮氢材料。特别是RE₅Mg₄₁型镁基合金的贮氢容量大于5.5 wt%，就其容量而言，完全满足燃料电池汽车对贮氢容量的要求。然而，传统工艺制备的RE₅Mg₄₁型多晶合金在室温下没有可逆吸放氢的能力，因此，降低合金氢化物的热稳定性并提高合金吸放氢的动力学性能成为研究者面临的严峻挑战。

研究表明，合金元素和元素替代及添加适量的助剂可以明显降低镁基合金氢化物的热稳定性并大幅度提高合金的吸放氢动力学。合金的吸放氢动力学对合金的结构非常敏感。另据研究发现，对贮氢材料进行多元合金化，以及利用高能球磨方法得到纳米晶-非晶合金的特殊微观结构，并通过该方法使合金颗粒表面产生大量的晶体缺陷，从而使合金的表面活性进一步增加，是改善贮氢材料吸放氢性能的有效途径。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种高容量、具有优良吸放氢动力学的RE-Mg-Ni基RE₅Mg₄₁型纳米石墨复合的燃料电池用贮氢材料及其制备方法。

本发明从成分设计及制备方法两方面相结合，来改善贮氢材料的吸放氢动力学：

在成分设计方面，以RE₅Mg₄₁型贮氢合金为基础，采用合金元素Ni及Ti部分替代Mg，制备多组元RE₅Mg₄₁型贮氢合金,并添加适量纳米石墨（nanographite-NG）作为助剂，通过元素替代及添加助剂，降低氢化物的热稳定性，使贮氢材料的吸放氢动力学性能大幅度改善；

在制备方法方面，将多组元RE₅Mg₄₁型贮氢合金机械破碎后获得镁基合金粉末，将其与NG按化学计量比混合，利用高能球磨方法获得纳米化的石墨片和石墨烯镶嵌、负载纳米晶-非晶合金的特殊微观结构（如三明治结构）的粉末，另一方面，由于NG是一种非常有效的导热剂，能迅速传导贮氢材料吸放氢反应过程中的热量，这样就能使贮氢材料在较低温度下具有较高的吸放氢容量，对于大幅提高和改善贮氢材料的吸放氢动力学性能非常有利。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一方面提供一种纳米石墨复合的高容量RE-Mg-Ni基贮氢材料，包括稀土元素、镁、少量的镍和钛及一定量的NG助剂，其化学组成为：RE₅Mg_41-x-yNi_xTi_y+zwt% NG，式中x、y为原子比，0≤x+y≤5，z为NG与RE₅Mg_41-x-yNi_xTi_y的质量百分比，2≤z≤12，RE为稀土元素Ce、Sm、Y、Nd、Pr、Y中的至少一种。

所述助剂NG为500纳米以下的球形及片状石墨粉。

作为优选的，上述化学式组成的原子比为x=2，y=1，NG与RE₅Mg_41-x-yNi_xTi_y的质量百分比z=6。

本发明的另一方面提供一种纳米石墨复合的高容量RE-Mg-Ni基贮氢材料的制备方法，其制备步骤包括如下：

1）按化学式组成RE₅Mg_41-x-yNi_xTi_y+zwt% NG进行配料，式中0≤x+y≤5，2≤z≤12，RE为稀土元素Ce、Sm、Y、Nd、Pr、Y中的至少一种；