CN102586660B - 一种添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料，其是由镁基储氢合金与是其质量10~30%的金属硫化物组成，其中，所述的镁基储氢合金为Mg、REMg3或RE2Mg17(RE=La，Ce，Pr，Nd)，金属硫化物为MoS2、CoS2、CoS中的一种。上述添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料的制备方法主要是：（1）将镁基储氢合金在氢化反应器中充分吸氢，（2）在氢气气氛保护下进行球磨。本发明制备的复合材料吸/放氢速率比未添加金属硫化物的镁基储氢合金提高1.5倍以上，同时其初始脱氢温度比镁基合金降低15~100K。这种复合材料制备工艺简单，性能稳定，可用于电动汽车及燃料电池等领域中氢的存储和供应。
Description
技术领域
本发明涉及镁基储氢合金复合材料。
背景技术
随着环境恶化和能源的匮乏，发展环境友好型能源成为各国研究的焦点。目前，由于氢资源丰富、高的能量密度和环境友好成为最有吸引力的一种新型能源。因而，采用储氢材料储输氢气，可以做到安全高效，被认为是比较理想的载体之一。实用化的贮氢材料必须满足储氢密度大，吸/放氢速率快，操作温度适中和安全等要求。现有的作为氢储存和运输材料的镁基合金由于其密度低、贮氢容量大及成本低等优点得到快速发展，并且得到广泛研究。然而由于镁基储氢合金动力学性能较差，吸放氢条件苛刻等缺点，严重影响了它的实用化。
近年来，许多研究者通过向镁基合金中加入添加剂进行高能球磨来改善镁基合金的吸/放氢性能。专利号为200610118471.8公开了一种由Li基氢化物和镁基合金通过球磨合成一种储氢合金，虽然提高了纯镁的吸氢动力学，但是其低温下的动力学性能仍然不够理想，放氢动力学改善不明显。文献Seon-Ah Jin,Jae-Hyeok Shim,Young Whan Cho,Kyung-Woo Yi. Journal of Power Sources, 172(2007)859–862则提出了在 MgH2合金中添加一系列过渡金属氟化物球磨后所得到的合金的吸氢速率有了提高，但是放氢速率并未得到明显改善，与此同时，有些过渡金属氟化物如NbF5由于价格昂贵，使得实际应用受到了一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供可改善镁基储氢合金吸/放氢性能的一种添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料。该复合材料是由镁基储氢合金与是其质量10 ~ 30 %的金属硫化物组成，其中，所述的镁基储氢合金为Mg、REMg3或RE2Mg17(RE=La，Ce，Pr，Nd)，金属硫化物为MoS2、CoS2、CoS中的一种。
上述添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料的制备方法如下：
（1）将镁基储氢合金在氩气气氛保护下机械粉碎至40-100目。称适量的上述合金粉末装于氢化反应器中，在300~ 400℃及3 ~4 MPa氢压下保温1 h，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。
（2）在氩气气氛保护下向氢化后的镁基合金中加入粒径为100~200目、质量百分数为10~30 %的金属硫化物粉末，将其置于球磨罐中，球料质量比为29~33:1，在氢气气氛保护下进行球磨，转速为450~550 r/min，间歇时间为5~30min，球磨时间为1~3 h，球磨后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装，得到镁基储氢合金复合材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明制备的镁基储氢合金复合材料的吸/放氢速率比未添加金属硫化物的镁基储氢合金提高1.5倍以上，同时其初始脱氢温度比镁基合金降低15 ~ 100 K。
2、本发明中提供的金属硫化物成本低廉，易获得。
3、本发明制备工艺简单、易操作，能源消耗少，制备成本低，易于产业化和推广。
附图说明：
图1为本发明实施例1的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金的吸氢速率对比曲线图。
图2为本发明实施例2的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金的放氢速率对比曲线图。
图3为本发明实施例3的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金吸氢速率对比曲线图。
图4为本发明实施例4的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金差热分析（DSC）对比曲线图。
图5为本发明实施例5的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金差热分析（DSC）对比曲线图。
图6为本发明实施例6的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金放氢速率对比曲线图。
图7为本发明实施例7的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金差热分析（DSC）对比曲线图。
图8为本发明实施例8的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金吸氢速率对比曲线图。
图9为本发明实施例9的镁基储氢合金复合材料与镁基储氢合金放氢速率对比曲线图。
具体实施方式：
以下通过具体实例对本发明技术方案做进一步描述。
实施例1
在氩气气氛下称取适量粒径为100目的镁粉装于氢化反应器中，在400℃，4 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出，向氢化后的MgH2粉末中加入粒径为100目的MoS2粉末，按质量比10:1混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为450 r/min，球料质量比为29:1，间歇时间为15 min，球磨时间为1 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行吸氢速率测试，其结果如图1所示，从图中的吸氢速率曲线可以看出，本发明复合材料在150℃下21 min内储氢量可达到3 wt.%，在400 s时即可达到最大储氢量的80 %，而未添加金属硫化物的MgH2在21min内储氢量仅达到1 wt.%，且达到最大储氢量的80 %时需800 s，由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料储氢速率要明显优于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例2
将CeMg3合金在氩气气氛保护下机械粉碎至40目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，300℃，3 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成CeH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为200目的CoS2粉末，按质量比10:3混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为550 r/min，球料质量比为33:1，间歇时间为5 min，球磨时间为3 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行放氢速率测试，其结果如图2所示，从图中的放氢速率曲线可以看出，本发明复合材料在300℃下达到最大放氢量的80 %只需300 s左右，而CeMg3合金达到最大放氢量的80 %则需要500 s，由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料放氢速率要明显优于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例3
将PrMg3合金在氢气气氛保护下机械粉碎至70目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，350℃，4 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成PrH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为100目的MoS2粉末，按质量比5:1混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为31:1，间歇时间为30 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行吸氢速率测试，其结果如图3所示，从图中的吸氢速率曲线可以看出本发明的复合材料在150℃下30 s即可达到最大吸氢量的90 %，而未添加MoS2的PrMg3合金达到最大吸氢量的90 %需70 s。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料吸氢速率要明显优于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例4
将LaMg3合金在氢气气氛保护下机械粉碎至100目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，350℃，3 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成LaH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为100目的CoS粉末，按质量比10:3混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为31:1，间歇时间为15 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行DSC测试，其结果如图4所示，从图中的DSC曲线可以看出本发明的复合材料在524.95 K时即可脱氢，而未添加CoS的LaMg3合金需要在627.05 K时才开始脱氢。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料初始脱氢温度要明显低于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例5
将NdMg3合金在氢气气氛保护下机械粉碎至40目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，350℃，4 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成NdH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为100目的MoS2粉末，按质量比5:1混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为33:1，间歇时间为15 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行DSC测试，其结果如图5所示，从图中的DSC曲线可以看出，向NdMg3合金中添加MoS2球磨后制备的储氢复合材料在640.55 K时即可脱氢，而NdMg3合金需要在658.85 K时才开始脱氢。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料初始脱氢温度要明显低于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例6
将La2Mg17合金在氢气气氛保护下机械粉碎至100目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，300℃，4 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成LaH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为200目的CoS2粉末，按质量比10:3混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为33:1，间歇时间为15 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行放氢速率的测试，其结果如图6所示，从图中350℃下的放氢速率曲线可以得知，向La2Mg17合金中添加CoS2球磨后制备的复合材料在160 s时即可达到最大放氢量的80 %，而未添加CoS2的La2Mg17合金达到最大放氢量的80 %时需200 s。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料放氢速率要明显优于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例7
将Ce2Mg17合金在氢气气氛保护下机械粉碎至40目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，300℃，3 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成CeH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为200目的CoS2粉末，按质量比10:3混合均匀，混合均匀后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为31:1，间歇时间为15 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行DSC测试，其结果如图7所示，从图中的DSC热分析曲线可知，向Ce2Mg17合金中添加CoS2球磨后制备的复合材料在594.99 K时即可脱氢，而Ce2Mg17合金需要在610.44 K时才开始脱氢。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料初始脱氢温度要明显低于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例8
将Pr2Mg17合金在氢气气氛保护下机械粉碎至100目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，350℃，3 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成PrH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为100目的MoS2粉末，按质量比5:1混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为29:1，间歇时间为15 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行吸氢速率测试，其结果如图8所示，从图中350℃下吸氢速率曲线可知，向Pr2Mg17合金中添加MoS2球磨后制备的储氢复合材料在40 s即可达到最大储氢量的80 %，而Pr2Mg17合金则需在65 s才可达到最大储氢量的80 %。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料储氢速度明显高于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
实施例9
将Nd2Mg17合金在氢气气氛保护下机械粉碎至40目，称取适量的粉末装于氢化反应器中，350℃，4 MPa氢压下保温1 h，使其转化生成NdH3和MgH2，自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出。。在氩气气氛保护下，向氢化后的镁基合金粉末中加入粒径为200目的CoS2粉末，按质量比5:1混合均匀，将混合后的粉末置于球磨罐中，在氢气气氛保护下球磨，球质为不锈钢，球磨机为Pulverisette6行星式球磨机，球磨罐的转速为500 r/min，球料质量比为31:1，间歇时间为15 min，球磨时间为2 h，待球磨结束后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装。将球磨制备的镁基储氢合金复合材料进行放氢速率测试，其结果如图9所示，从图中300℃ 下放氢速率曲线可知，向Nd2Mg17合金中添加CoS2球磨后制备的储氢复合材料在206 s时即可达到最大放氢量的80 %，而Nd2Mg17合金需要在245 s时才可达到最大放氢量的80 %。由此可见本发明提供的金属硫化物与镁基储氢合金高能球磨后制备的复合材料放氢速度明显高于未添加金属硫化物的镁基储氢合金。
Claims (2)
1.一种添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料，其特征在于：该复合材料是由镁基储氢合金与是其质量10 ~ 30 %的金属硫化物组成，所述的镁基储氢合金为Mg、REMg3或RE2Mg17其中RE=La，Ce，Pr，Nd，金属硫化物为MoS2、CoS2、CoS中的一种。
2.权利要求1所述的添加金属硫化物的镁基储氢合金复合材料的制备方法，其特征在于：
（1）将镁基储氢合金在氩气气氛保护下机械粉碎至40-100目，称取适量的上述合金粉末装于氢化反应器中，在300~ 400℃及3 ~4 MPa氢压下保温1 h,自然冷却至室温，在氩气气氛保护下取出；
（2）在氩气气氛保护下向氢化后的镁基合金中加入粒径为100~200目、质量百分数为10~30 %的金属硫化物粉末，将其置于球磨罐中，球料质量比为29~33:1，在氢气气氛保护下进行球磨，转速为450~550 r/min，间歇时间为5~30min，球磨时间为1~3 h，球磨后自然冷却至室温，在氩气气氛下封装，得到镁基储氢合金复合材料。
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