金屬儲(chǔ)氫功能材料

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1、金屬儲(chǔ)氫功能材料復(fù)材0801張正0120801060103摘要：概述了現(xiàn)階段儲(chǔ)氫功能材料的發(fā)展概況，當(dāng)前主要的幾種儲(chǔ)氫功能材料，如稀土系A(chǔ)B型儲(chǔ)氫合金，鎂基儲(chǔ)氫合金，碳納米管等。并具體就鎂基儲(chǔ)氫合金，從其制備方法、研究進(jìn)展及其應(yīng)用方面進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞：功能材料儲(chǔ)氫金屬1．引言功能材料是指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。金屬儲(chǔ)氫功能材料又被稱為“儲(chǔ)氫合金”，主要利用某些

2、金屬或合金，如鎂Mg、礬V、鈮Nb、鈦Ti、鑭La、鋯Zr等，因其表面的催化或活性作用，將一旦氫與儲(chǔ)氫合金接觸，即能在其表面分解為H原子，然后H原子擴(kuò)散進(jìn)入合金內(nèi)部直到與合金發(fā)生反應(yīng)生成金屬氫化物，此時(shí)，氫即以原子態(tài)儲(chǔ)存在金屬結(jié)晶點(diǎn)內(nèi)。因此，金屬儲(chǔ)氫功能材料可以像海綿一樣大量吸收氫氣。當(dāng)前，在新能源研究已逐漸成為研究的熱點(diǎn)的背景下，金屬儲(chǔ)氫功能材料作為一種重要的儲(chǔ)氫材料，有著廣泛的應(yīng)用前景。2．幾種重要的金屬儲(chǔ)氫功能材料當(dāng)前主要研究的幾種儲(chǔ)氫材料有稀土系A(chǔ)B型儲(chǔ)氫合金，鎂基儲(chǔ)氫合金，碳納米管等。稀土系A(chǔ)B5型儲(chǔ)氫合金與

3、Ti、Zr基儲(chǔ)氫合金相比，具有原料的價(jià)格低、低溫性能好以及高倍率性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，我國大多數(shù)公司生產(chǎn)的小型鎳氫電池均采用稀土系A(chǔ)B型儲(chǔ)氫合金作負(fù)極材料，主要采用真空爐冶煉合金法，然后通過機(jī)械破碎或氫化制粉。為了解決儲(chǔ)氫合金吸放氫粉化及表面氧化的問題，提高電極放電能力，增加電容量，采用了粉末微囊技術(shù)（即粉末表面包覆Ni-P非晶合金、Cu、Pd、Co金屬等）和表面處理（氟化處理、堿化處理、酸化處理，用各種肼堿溶液處理、有機(jī)物包覆等）。目前最大問題是放電性能低，因此，提高儲(chǔ)氫合金的放電性能成為了今后研究的重點(diǎn)。由于Mg2Ni合

4、金具有可逆的氫化反應(yīng)特性，鎂基儲(chǔ)氫合金電極的理論放電容量接近1000mA/g，約為LaNI5合金的3倍，且其成本低，因此，是未來高容量、長壽命、綠色環(huán)保的可充電電池負(fù)極材料的理想候選材料。目前鎂基儲(chǔ)氫合金主要采用機(jī)械合金化方法制備，同時(shí)，，通過表面改性、微合金化，納米晶多相復(fù)合等多種方法，提高其放電容量，改善其循環(huán)壽命。碳納米管具有納米尺度的中空管道，這賦予了碳納米管獨(dú)特的吸附和存儲(chǔ)特性。表面張力小于100～200mN的物質(zhì)可以通過毛細(xì)作用進(jìn)入碳納米管的中空管道。而氫分子的直徑為0．289nm，因此氫可以被高效吸附在單

5、壁碳納米管的中空管道及碳管束內(nèi)的間隙中，所以單壁碳納米管表現(xiàn)出較高的儲(chǔ)氫能力。目前，碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用的主要問題是進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫率，探索碳納米管吸放氫氣的條件，研究碳納米管材料的儲(chǔ)氫機(jī)理，以及如何在工業(yè)上大量制備碳納米管。1．鎂基儲(chǔ)氫材料的制備MgNi非晶用機(jī)械球磨的方法制備。將Mg粉（99.8%）與Ni粉（99.9%）原材料按1：1（質(zhì)量比）混合后裝入球磨罐，用QM-1SP行星式球磨機(jī)在純氬氣保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械合金化。轉(zhuǎn)速為100、150和400rpm球料比為10:1、25:1和40:1，球徑配比在直徑為6/10和18mm

6、的三種鋼球中選擇。用X射線衍射檢測(cè)合成樣品的相結(jié)構(gòu)和相組成。利用模擬電池法測(cè)試粉末樣品的電極特性，電池負(fù)極用如下方法制備：按1:2（質(zhì)量比）將合成粉末與導(dǎo)電銅粉混合，在加入0.5%的聚四氟乳液后，將它們充分混合均勻，然后把混合粉填入泡沫鎳片中，壓制成測(cè)試用電極片，電極片規(guī)格為2.5cm×1.25cm，每片填入0.20g貯氫粉末。電池正極為氫氧化鎳片，電解液為6MKOH/L堿性電解液。以150mA/g恒流充電3h后，靜置2min，隨后以100mA/g恒流放電，終止電壓為0.9V，充放電過程在室溫下進(jìn)行，電極性能的測(cè)試采用

7、PCBT-138-8D-A型電池程控測(cè)試儀。2．鎂基儲(chǔ)氫合金的研究進(jìn)展目前，采用機(jī)械合金化法制備的Mg2Ni合金，Mg2Ni非晶相的形成效率與球磨參數(shù)有關(guān)，提高球磨轉(zhuǎn)速是粉末在球磨過程中獲得能量的關(guān)鍵，對(duì)Mg2Ni非晶相的形成效率有十分重要的影響。球磨參數(shù)對(duì)Mg2Ni非晶的放電容量具有一定的影響，特別是對(duì)初始階段形成的Mg2Ni非晶的放電容量具有較大的影響，球磨時(shí)間為60h的Mg2Ni非晶的放電容量達(dá)最大值，其放電容量可達(dá)到750mA.h/g。除采用機(jī)械合金化法外，擴(kuò)散法可合成Mg1.5Al0.5-xNiVx(x=0,

8、0.1,0.2,0.3,0.4)系列合金，結(jié)構(gòu)分析表明，合金中出現(xiàn)一個(gè)新的物相，其化學(xué)式為Mg2AlNi2屬立方晶系,新相具有很好的電化學(xué)性能，未經(jīng)任何預(yù)處理的Mg1.5Al0.3v0.2Ni合金的最大放電容量達(dá)到333mA.h/g。目前的研究重點(diǎn)主要包括：(1)元素取代：通過元素取代來降低其分解溫度．并同時(shí)保持較高的吸氫量；(2