[发明专利]燃料电池用Mg-Sn-Ni三元贮氢中间合金、贮氢材料和制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用高容量Mg‑Sn‑Ni三元贮氢合金及其贮氢材料和制备方法，该合金的化学成分按原子百分比为：Mg_100‑a‑bSn_aNi_b，a：4～6，b：9～11。该制备方法是在惰性气体保护下采用感应加热熔炼，将熔融合金注入铜铸模，获得圆柱状合金铸锭。将铸锭机械破碎并过筛，将过筛的合金粉与1～5wt％的催化剂石墨一起装入不锈钢球磨罐，抽真空后充入高纯氩气，在全方位行星式高能球磨机中球磨一定的时间，获得具有纳米晶‑非晶结构的合金粉末。本发明中Sn、Ni可以减弱Mg‑H之间的键能，有效的改善镁基贮氢材料的贮氢性能。通过成分设计、微观结构调控以及添加石墨，降低了合金氢化物的热稳定性，提高了合金的吸放氢热力学及动力学性能。

技术领域

本发明属于贮氢合金材料技术领域，特别是提供了一种燃料电池用高容量Mg-Sn-Ni三元贮氢中间合金及其贮氢材料和制备方法。

背景技术

随着科技的进步和社会的发展，人类对于能源的需求越来越多，而传统的化石燃料资源不仅日益枯竭不可再生，并且对我们赖以生存的地球环境造成极大的污染和破坏。因此寻找新型可再生的绿色能源是全人类面临的问题之一。

氢是一种可再生的绿色能源。氢拥有高的能量密度和燃烧热值，资源丰富，并且其燃烧产物是水，不污染环境。氢还可用于燃料电池。氢气的储存和运输是氢能应用过程中最为关键重要的环节。与传统的高压气体及低温液态储氢相比，金属氢化物贮氢更加安全便利可靠。在金属氢化物贮氢材料中，镁基贮氢材料由于其较高的理论贮氢容量(7.6wt.％)，资源丰富，循环寿命长，是最具应用前景的贮氢材料。但其金属氢化物具有较高的热稳定性，导致其要在400℃以上的高温条件下才能有效的释放氢气，并且放氢速率较慢，使镁基贮氢材料的实际应用受到极大的限制。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，添加过渡族金属元素能显著降低镁基金属氢化物的放氢活化能，显著提高合金的吸放氢动力学。此外，合金的吸放氢动力学对贮氢材料的微观结构非常敏感，减小合金的晶粒尺寸至纳米级别可显著降低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性能。机械球磨是获得纳米合金颗粒的有效方法，并能很方便地添加各种助剂，尤其是高能球磨，已经被证实能显著地提高镁基合金的吸放氢动力学。

现有技术中，镁基贮氢通常含有稀土元素，例如中国发明专利No.201010273809.3提供了一种‘多相镁稀土镍系贮氢合金’，该合金组成为LaxMg3+xNiy-zBz，B为Cu、Al、Mn、Fe、Zn、Sn、Si中的一种元素，0.45≤x≤1，0.4≤y≤1.5，0≤z≤0.3。但是，含稀土的贮氢材料的问题在于，吸氢后会发生晶格变形，合金易粉碎，且价格昂贵。

有研究表明，Sn作为去稳定剂能有效的降低镁基氢化物的热稳定性，在镁基贮氢材料中添加Sn可以减弱Mg-H之间的键能，有效的改善镁基贮氢材料的贮氢性能。本发明设计了新型Mg-Sn-Ni三元贮氢合金，通过成分设计降低氢化物的热稳定性。用机械球磨技术制备合金，使合金的晶粒尺寸减小到纳米尺度，进一步降低合金的热稳定性并改善其吸放氢动力学性能。并在球磨过程中加入一定量的石墨作为催化剂，经过不同时间的球磨，使得催化剂与合金均匀混合，获得具有优良吸放氢动力学性能的复合贮氢材料。

现有技术中在储氢合金中添加Sn并不多见，在稀土系储氢材料中添加Sn起到元素替代的作用，添加量非常少，并没有作为主相；本发明与现有技术中添加Sn机理上的不同在于Sn可以减弱Mg-H之间的键能，有效的改善镁基贮氢材料的贮氢性能，且有研究表明,在Mg-Sn体系中，Mg2Sn在其吸放氢的过程中起到了催化剂的作用，降低材料的热稳定性，因而降低了其吸放氢的温度，改善其贮氢性能；相比稀土系贮氢材料，本发明成本低廉，安全性较高，因而更具发展优势。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种具有高贮氢容量和良好动力学性能的燃料电池用高容量Mg-Sn-Ni三元贮氢中间合金，该合金不含稀土元素。