储氢合金或储氢金属纳米粒子修饰的富勒烯储氢材料

摘要

一种储氢金属或储氢合金修饰的富勒烯储氢材料。该储氢材料是在富勒烯表面复合储氢金属或储氢合金制备的储氢材料。所述的富勒烯是一系列由数十个到数千个偶数碳原子组成的球形结构碳分子或碳笼烯，化学通式为Cn，其中n为大于或等于60的偶数。富勒烯储氢材料还可以是两种或两种以上的球形结构碳分子或碳笼按任意比例配比的混合物。所述的储氢金属包括周期表中IA～IVB族放热溶解型金属，VB～VIII族除放热溶解型金属Pd以外的吸热溶解型金属。所述的储氢合金是晶态稀土镍系AB5型合金、锆基或钛基Laves系AB2型合金、钛镍系和钛铁系AB型合金、镁基A2B型合金或是上述储氢合金的任一种或两种以上的二元或多元非晶储氢合金。本发明的储氢材料的储氢容量2.0～4.0wt％。

说明书

技术领域

本发明涉及储氢金属或储氢合金修饰的富勒烯储氢材料，特别涉及在富勒烯表面上复合具有纳米粒级的储氢金属或储氢合金所制备的储氢材料。

背景技术

随着化石燃料消耗逐渐增大和储量的日渐枯竭，以及人们对环境保护的日益重视，人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。目前，人们最寄希望的是氢能。这是因为氢能资源十分丰富，可以说是“取之不尽，用之不竭”；燃烧产物只有水，而且水还可循环使用；燃值高，是汽油的3倍；使用方便，现有的内燃机只需稍加改装就可用氢作燃料，或通过燃料电池(Fuel cell)将氢能转变为电能。发展氢能，首要攻克的是氢的规模储运这一大瓶颈。美国能源部(DOE)将储氢材料的商业化指标定为6.5wt％(63kg/m³)，若考虑经济指标，目前还没有哪一种储氢材料或储氢方法能够达到目标。当前众多存储材料中，多孔碳材料吸附剂(如活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管等)储氢，因其工作压力低、储存容器重量轻、形状选择余地大等优点，已引起人们的极大关注。

1997年，美国Dillon等首次报道了单壁碳纳米管(SWNTs)的氢吸附特性，推测SWNTs储氢容量为5～10wt％。1998年，美国Chambers等报导纳米碳纤维在12MPa下储氢容量高达22.3升氢/克纳米碳纤维。1999年，新加坡Chen等报导经Li、K掺杂的多壁碳纳米管(MWNTs)，储氢容量分别达到20wt％和14wt％。但Chambers和Chen等实验结果并没有可重复性，他们的实验结果被认为是受到了水的影响。1999年，中科院沈阳金属研究所的发明专利中报导了制备的单壁碳纳米管的储氢容量为4.2wt％(ZL991122902.4)，纳米碳纤维具有高达10～12wt％的储氢容量(ZL12779953A)。日本丰田公司的发明专利中(JP10-072201)报道了一种储氢合金/碳纳米管(纳米碳纤维)复合材料的制备技术，在室温条件下，其储氢容量最高达到10wt％以上。此外，日本东芝公司还制备出掺杂碱金属离子的储氢合金/碳纳米管(纳米碳纤维)复合材料，其储氢容量为1～8wt％(JP 2001-146408)。近年来，中国在一维纳米碳的储氢方面取得了一定的进展。南开大学采用与丰田公司不同的方法制备储氢合金/碳纳米管复合储氢材料，其储氢容量为2.5～5.2wt％(WO01/53550A1，CN00100500.7)。武汉理工大学(ZL02138977.2)采用等离子体刻蚀技术对碳纳米管及纳米碳纤维等一维纳米碳材料进行氢等离体刻蚀，并在此基础上对其进行了储氢合金或储氢金属修饰，使一维纳米碳的储氢容量达到了5.5wt％。

富勒烯(Fullerene)是上世纪80年代发现的新型球形结构碳分子。由于结构特殊，具有奇特的物理和化学性质。由碳原子围成的内部具有较大的孔容，被认为是良好的储氢单元。目前，通过表面的碳原子的加氢反应合成富勒烯氢化物的方法可以存储一定的氢，但C原子与氢的反应须在400-500℃及60-80MPa条件下进行。虽然采用碱金属或催化剂的掺杂技术有利于降低反应温度和压力(Loutfy R O，et a1.，2001)，但吸氢条件仍较为苛刻，重要的是，其球形分子内部的孔容并没有得到充分利用。因此如何有效利用富勒烯的孔容，优化其储放氢条件是当前富勒烯储氢材料开发需要研究的首要问题。日本的丰田汽车公司(JP10072201)通过在C₆₀表面上修饰一层厚约20nm的储氢金属Pd的涂层后，成功地将氢引入了C₆₀内部，但储氢温度均在-196K以下，而且Pd利用率也不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种储氢金属或储氢合金修饰的富勒烯储氢材料及其制备方法。

本发明的储氢金属或储氢合金修饰的富勒烯储氢材料，它是在富勒烯表面上复合具有纳米粒级的储氢金属或储氢合金制备成的储氢材料，所述的富勒烯是一系列由数十个到数千个偶数碳原子组成的球形结构碳分子或碳笼烯，化学通式为C_n，其中n为大于或等于60的偶数。

本发明所述的富勒烯可以是一种碳笼烯或球形结构碳分子，也可以是两种或两种以上的碳笼烯或球形结构碳分子按任意比例配比的混合物。

本发明的富勒烯储氢材料是采用纳米复合技术，通过掺杂、化学还原反应或物理沉积作用等方法在富勒烯表面复合均匀度和分散度较高的储氢合金或储氢金属纳米粒子制备的储氢材料。储氢金属或储氢合金的主要作用是通过催化、吸附或吸收作用将氢分子转化氢原子，以加快氢向富勒烯内部扩散速度，减小氢的扩散阻力，不但提高富勒烯材料的储氢性能，而且在室温、5～7MPa条件下，储、放氢平台趋好。因此，储氢金属或储氢合金修饰富勒烯高性能储氢材料在一定程度上弥补了因单独使用富勒烯或储氢合金材料储氢的不足。同时，将富勒烯表面的储氢合金或储氢金属制备成单分散状的纳米粒子有利于提高储氢合金或储氢金属材料的使用效率，降低材料的生产成本。

本发明所述的储氢金属，包括周期表中IA～IVB族放热溶解型金属，VB～VII族除放热溶解型金属Pd以外的吸热溶解型金属。所述的储氢合金是晶态稀土镍系AB₅型合金、锆基或钛基Laves系AB₂型合金、钛镍系和钛铁系AB型合金、镁基A₂B型合金；或是上述储氢合金的任一种或两种以上的二元或多元非晶储氢合金。

本发明中所述的储氢合金稀土镍系AB₅型组成为LNi_n-x-y-zCo_xN_yM_z，L为混合稀土金属、La、Ce、Nd、Pr、Y，N和M分别为Mn、V、Cr、O、Fe、Cu、Zn、Sn，4≤n≤6≤x≤，02，0≤y≤2，0≤z≤2；锆基或钛基或稀土镍基Laves相系AB₂型合金组成为KNi_a-b-c-dV_bG_cJ_d，K为Zr、Ti、Hf、混合稀土金属、La、Ce、Nd、Pr、Y、G和J分别为Co、Mn、Cr、Al、Fe、Cu、Zn、Sn、，1.2≤a≤2.8，0≤b≤2，0≤c≤2，0≤d≤2；钛镍系或钛铁系AB型合金组成为HNi_m-k-jFe_kP_j，H为Zr、Hf，P为Co、Mn、V、Cr、Al、Cu、Zn、Sn、，0.6≤m1.5，0≤k≤1.5，0≤j≤1，镁基合金A₂B型合金组成为Mg_g-fE_fNi_f-p-gCo_pT_q，E为Ca、Zr、Ti、Hf、混合稀土金属、La、Ce、Nd、Pr、Y，Ti为Mn、V、Cr、Al、Fe、Cu、Zn、Sn，0.8≤g≤2.5，0≤f≤1，0≤p≤0.6，0≤q≤0.6。

本发明所述的储氢金属或储氢合金的富勒烯材料可用化学还原沉积法、离子交换法、胶体法、化学镀法、Bonnemann法、添加合金元素法、真空溅射法或CVD法等方法制备。

本发明的储氢材料的具体制备工艺如下：

本发明所用富勒烯材料由市购，纯度为30-100％。

采用化学还原沉积法、离子交换法、胶体法、化学镀法、Bonnemann法、添加合金元素法、真空溅射法或CVD法等方法制备储氢金属或储氢合金纳米粒子修饰的富勒烯材料。之后，在氮气或氩气、200～1000℃条件下焙烧1～2h，即得到储氢金属或储氢合金纳米粒子修饰的富勒烯储氢材料。在富勒烯表面的储氢金属或储氢合金呈单分散状分布，颗粒粒径为0.1-100nm。

本发明的储放氢实验装置为Sieverts’仪。用压差法测定所述富勒烯的储氢容量。氢气纯度为99.999％，初始压力为常压～20MPa，温度为室温～250℃。

本发明采用纳米复合技术，通过掺杂、化学还原反应或物理沉积作用等方法在富勒烯表面复合均匀度和分散度较高的储氢合金/储氢金属纳米粒子。实验表明，制备的储氢材料的吸氢作用可在室温、1-10MPa的条件下进行。

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明。

实施例1

富勒烯样品由市购，富勒烯纯度为60％，组成的球形结构碳分子中99％为C₆₀，其余1％为C₇₀。配制100ml PdCl₂溶液，并与2g富勒烯样品混合搅拌1h，搅拌速度为800r/min。通H₂反应，反应温度为100℃。将反应产物洗涤，干燥，并在300℃、氩气条件下焙烧2h，制得Pd修饰富勒烯储氢材料。经TEM、XRD、电子衍射及能谱研究结果表明，富勒烯表面的储氢金属呈单分散状分布，颗粒粒径为1-50nm。在氢气纯度为99.999％，初始压力为7MPa及室温条件下，Pd修饰富勒烯的储氢容量为2.5wt％。

实施例2

富勒烯样品性质、储放氢测试条件与实施例1相同。将1g的SnCl₂2H₂O溶解在50ml、浓度为0.1M的HCl溶液中，制得敏化液。将0.25g的PdCl₂溶解在100ml、0.25M的HCl溶液中，制得活化液。将样品依次置入敏化液和活化液中分别对富勒烯表面进行敏化处理和活化处理，每一过程均采用超声分散和高强度机械搅拌分散相结合的方法进行充分分散，而且每一过程结束后均用去离子水彻底冲洗过滤。将反应产物在300℃、氩气条件下焙烧2h，制得Pd修饰富勒烯储氢材料。富勒烯表面Pd颗粒的平均粒径为5nm左右。Pd修饰富勒烯的储氢容量为3.0wt％。

实施例3

富勒烯样品性质及储放氢测试条件与实施例1相同。将相同浓度的NiCl₂和LaCl₃溶液按体积比5∶1均匀混合，在混合液中加入4g富勒烯样品，机械搅拌，搅速500r/min。缓慢滴加Na₂CO₃溶液，待完全反应，经抽滤、去离子水洗涤及真空干燥，制得附在富勒烯表面的LaNi₅的前驱物La₂O₃·10NiO。将反应产物移入管式炉中通H₂反应，反应温度为1000℃。将反应产物进行洗涤，并在300℃、氩气保护条件下焙烧2h，制得LaNi₅修饰富勒烯储氢材料。经TEM、XRD、电子衍射及能谱研究结果表明，富勒烯表面的储氢合金多呈单分散状分布，颗粒粒径5-20nm，平均15nm。LaNi₅修饰富勒的储氢容量为4.0wt％。