[发明专利]一种高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料及其制备方法

说明书

本发明属于储氢材料技术领域，具体涉及一种高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料及其制备方法，该材料的化学式为Mg_x(Ti_0.35V_0.35Nb_0.2Cr_0.1)_1‑x，其中x＝0.93～0.98。本发明成功制备了一种高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料体系Mg_x(Ti_0.35V_0.35Nb_0.2Cr_0.1)_1‑x，其中Mg占合金原子百分比为93～98％，与纯Mg的吸放氢相比，该Mg基复合储氢材料能够在100℃下111min内吸收3.4～3.6wt％的氢气，在250℃下107min内放出5.4～5.8wt％的氢气，具备优异的吸放氢动力学性能；本发明制备方法简单、易控，生产设备投资少，生产过程无污染，易于工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于储氢材料技术领域，具体涉及一种高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料及其制备方法。

背景技术

氢能是一种来源广泛、资源丰富、无污染和可再生的新型能源。但是，氢能的存储与运输极大地限制了其应用。目前，氢能的储存主要有三种方式：高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。固态储氢具有相比于气态储氢与液态储氢容量更高，成本更低，安全性更高等特点，它是最具发展前景的运输方式。储氢合金在一定条件下能够吸收和放出氢气，是一种安全且高效的固态储氢材料。

Mg系储氢合金具备高储氢容量、密度低、质地广泛、价格低廉和环境友好的优点，但是弊端很明显。Mg系合金的吸放氢热力学与动力学性能较差，纯Mg只能在150℃下112min吸收1.67wt％的氢气，在300℃下120min放出2.47wt％的氢气，吸放氢速率较慢，这直接导致实际应用成本的上升。添加催化剂是常用的改善Mg系合金储氢性能的方法，常用的添加剂有过渡族金属、氧化物、氢化物、金属间化合物等；最典型的是添加过渡族金属改善Mg的储氢性能，例如：G.Liang等人研究了Ti、V、Mn、Fe和Ni对于MgH₂储氢性能的催化作用。催化剂的添加也有很多种，主要有负载法、直接添加、原位合成等方法。原位合成具有第二相粒子细小且分布均匀、催化相表面无污染且与基体润湿性好、界面结合强度高等优点，是一种优良的催化方法。

高熵合金是由多种合金元素组成并且一般为单相或者双相BCC(体心立方)、FCC(面心立方)和HCP(密排立方)结构。KatiyarNK等人进行了高熵合金具备催化效应的理论研究，指出了高熵合金的催化效应主要有以下原因：一、当高熵合金由多种具备催化性能的合金元素组成时，会形成具备高催化效果的原子排列方式与表面微观结构，并且多种元素之间相互作用可以获得催化协同效应；二、高熵合金的‘扭曲晶格’结构可以增加高熵合金的势能，为吸附提供较低的势能；三、高熵合金大的单位体表面提供了多个活性位点，具有高效的材料利用率以及纳米颗粒的形状效应。

由以上科学原理可以推测，若在Mg基合金中原位产生第二相高熵合金，在吸放氢时，高熵合金可能作为氢的扩散通道和活性位点；从而改善Mg基合金的储氢性能。然而，目前还没有发展出高熵合金原位催化改善Mg系合金储氢性能的研究体系。因此，如何设计出一种成分范围较宽的高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料体系，具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料及其制备方法，将合金的原子比转换为质量比进行原料的配制，然后通过高速振动球磨一步法得到原位形成的高熵合金和Mg的复合材料粉末；原位生成的高熵合金第二相尺寸为2～8nm，并且均匀、弥散地分布在Mg基合金的基体上。高熵合金原位催化的Mg基复合储氢材料粉末能够在100℃下111min内吸收3.4～3.6wt％的氢气，在250℃下107min内放出5.4～5.8wt％的氢气。而纯Mg只能在150℃下112min吸收1.67wt％的氢气，在300℃下120min放出2.47wt％的氢气。该方法制备的Mg基复合材料具有比纯Mg更加优异的吸放氢动力学性能。