[发明专利]一种含催化剂的碳包覆Mg基储氢材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种含催化剂的碳包覆Mg基储氢材料的制备方法，该方法通过等离子电弧和电阻加热台分别加热催化剂金属锭和Mg块以制备Mg颗粒尺寸小于20nm且含有金属催化剂的碳包覆Mg基复合纳米颗粒。本发明的制备方法可通过调节Mg的质量和电阻加热台温度调控生成Mg颗粒的尺寸；通过调节等离子电流调控生成的金属催化剂的颗粒尺寸；通过调节甲烷添加量可制备得到碳层厚度小于5nm的超薄碳壳。本发明方法制备的Mg基储氢材料具有Mg颗粒尺寸小、碳包覆层薄、并含有催化剂的特点，能够有效提高Mg和催化剂的装载率及其储氢性能。同时，本发明方法使用的原料价格低廉，工艺简单易行，绿色环保。

技术领域

本发明涉及一种纳米储氢材料，尤其涉及一种含催化剂的碳包覆Mg基储氢材料及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭和环境污染问题的日益严重，氢能源由于其可再生及无污染的优点，成为替代石油等非可再生能源的理想能源之一。储氢作为氢能源产业链中的重要一环，制约着氢能源的实际应用。因此，发展一种安全高效的储氢方法是实现氢能源利用的关键。与传统储氢方式相比，金属氢化物储氢具有储氢密度高和可靠性高的优点。在金属氢化物储氢材料中，Mg由于其储量丰富、密度小、成本低、高理论储氢容量和优异的可逆储氢性能，成为最具有应用前景的储氢材料之一。然而，Mg基储氢材料吸放氢动力学性能差和放氢温度高的缺点，限制了其实际应用。

为改善Mg基储氢材料性能，目前研究热点集中于将镁的颗粒尺寸纳米化和添加适合的催化剂。纳米化可以增加比表面积，降低氢扩散距离，从而改善Mg的吸放氢性能。但是纳米级Mg颗粒活性很强，极易氧化，并且在吸放氢循环过程中易聚集长大。纳米限域已被证明是一种克服Mg的热力学和动力学缺陷，同时防止纳米级Mg发生氧化和团聚的有效方法。目前，纳米限域多为先制备限域材料，然后使用含Mg有机物为原料，通过液相还原法将Mg负载在限域材料中。然而这种方法的原料价格高、反应过程复杂、工艺繁琐、成本高，同时Mg的装载率低，也很难在被限域的Mg基材料中添加催化剂。张旋洲等人(CN102233435B.)使用乙炔等离子体金属反应方法制备了Mg颗粒尺寸为40nm的碳限域Mg纳米颗粒。在制备过程中，Mg纳米颗粒的生长受到乙炔分解产生的碳的限制，随着等离子体中乙炔含量的增加，Mg颗粒的尺寸呈现明显的下降趋势。然而，其添加乙炔气体的比例高达21.7％时，颗粒尺寸仅减小到40nm，且包覆的碳层较厚，导致了低的储氢量。另外，由于缺少催化剂，样品的储氢动力学性能有待进一步提高。研究表明，某些金属单质及其化合物作为高效催化剂可显著提升Mg的吸放氢性能。因此，如何进一步减小碳包覆Mg颗粒尺寸，同时将催化剂添加到纳米限域的Mg基储氢材料中是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种通过等离子电弧和电阻加热台分别加热金属催化剂和Mg块，以控制催化剂和Mg的颗粒尺寸，制备含催化剂的碳包覆Mg基复合纳米颗粒的方法，利用等离子电弧加热沸点较高、较难蒸发的金属锭(催化剂)，利用电阻加热台加热沸点较低、较易蒸发的金属Mg块。等离子弧加热产生的金属蒸气与电阻加热台加热产生的Mg蒸气在冷凝过程中相互碰撞，形成原子团簇，并进一步形核、长大成复合纳米颗粒。在等离子弧区，甲烷分解产生碳和氢。其中，碳对冷凝过程中的金属纳米颗粒进行包覆，以限制其进一步生长，最终生成含催化剂的碳包覆Mg基复合纳米颗粒。使得经本发明方法制备的Mg基储氢材料的储氢性能得到显著改善。

本发明的目的之二是提供一种原位生成催化剂的碳包覆Mg基复合储氢材料。该Mg基复合储氢材料在Mg基体和碳包覆层之间均匀弥散分布着金属催化剂。金属催化剂为金属单质或合金，碳包覆层厚度可以控制在5nm以下，Mg的颗粒尺寸可以控制在20nm以下，Mg和催化剂的装载率可以达到90％以上。使得经本发明方法制备得到的Mg基储氢材料具有优异的储氢性能。

制备本发明的一种含催化剂的碳包覆Mg基储氢材料的方法，具体步骤如下：

(1)将作为催化剂的金属锭置于等离子体设备反应腔室的铜坩埚上，将Mg块放置在反应腔室内的电阻加热台上；