一种纳米Na3AlF6催化的高容量Mg-Y-Al-Ti-Sc基贮氢合金及其制备方法与流程

本发明涉及固态贮氢合金材料，特别是提供了一种纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金及其制备方法。

背景技术：

1、背景技术中体现发明人在发现问题、分析问题过程中描述的内容，不应必然被视为现有技术。

2、固体贮氢技术以其成本低、安全性好、能量密度高和容量大等优点，成为车载供氢系统的一个极具潜力的发展方向。目前已发现的金属氢化物中，mgh2因其贮氢容量大(约7.6wt％)、成本低、重量轻、无毒、数量多及可逆性好等优点被广泛认为是最有希望的车载贮氢材料候选者。然而，mgh2氢化物的一些缺点，如热力学稳定性高、活化过程复杂、解离温度高、加氢/脱氢动力学缓慢等，使得商业mgh2在燃料电池上应用受限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高容量、优良吸放氢动力学的mg基固态贮氢合金及其制备方法，通过本发明，使合金的吸放氢热力学及动力学性能得到大幅度改善。

2、经发明人分析，由于mg表面氢分子的解离需要巨大的能量，这被认为是mg氢化的一个控制因素。纯过渡金属(ni、ti、nb、fe、co和al等)或氧化物(nb2o5、fe2o3和tio2等)、氢化物(tih2和zrfe2hx等)、氟化物(fef3、tif3、nif2和nbf5等)或金属间化合物，可被视为mg吸放氢的催化剂，因为它们降低了mg的解离能。特别是加入适量的稀土元素(la、ce、pr、nd和y)或其氧化物，可以明显降低mg基氢化物的稳定性，加速其脱氢反应。

3、本发明在成分设计上采用多元合金化，形成特殊的氢化物和金属间化合物，在球磨的过程中加入少量的纳米na3alf6作为催化剂，获得具有纳米晶-非晶结构的粉末，大幅度改善mg基合金的吸放氢热力学及动力学性能。

4、本发明第一个方面提供一种纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金，其特征在于，包含稀土元素y、金属al、ti及sc及纳米催化剂na3alf6，其化学式组成为：mg94-x-yyxtiyal6-zscz+mwt.％na3alf6，式中x，y，z为原子比，1≤x≤5，0.5≤y≤3，0.5≤z≤3；m为na3alf6所占合金的百分比，1≤m≤6。

5、优选的，所述化学式组成的原子比为：x:y:z＝2:2:2，催化剂na3alf6的含量m＝4。

6、进一步的优选，所述贮氢合金具有经快淬处理后形成的纳米晶加非晶结构，平均晶粒尺寸为46至50nm。

7、进一步的改进，所述催化剂na3alf6均匀分布在包含所述稀土元素y、金属al、ti及sc的合金颗粒的表面。

8、本发明的第二个方面提供一种纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9、步骤一、按化学式mg94-x-yyxtiyal6-zscz进行配料，式中x,y,z为原子比，1≤x≤5，0.5≤y≤3，0.5≤z≤3；

10、步骤二、采用感应加热使所有元素熔化，加热温度为1500-1650℃，得到熔融的mg94-x-yyxtiyal6-zscz合金；将熔化的合金浇注到铜模中，获得铸态母合金铸锭。

11、步骤三、将上述步骤(2)制备的铸锭置于底部具有狭缝的石英管内，用感应线圈再次加热到熔融状态，利用保护气体的压力将其从石英管底部的狭缝喷出，连续喷射在以5-30m/s线速率旋转的铜辊的光滑表面上，获得快淬合金薄带，带的厚度在50-300nm之间，快淬带的晶粒尺寸在10-100nm之间。

12、步骤四、将快淬mg94-x-yyxtiyal6-zscz合金机械破碎并过200目筛，与少量的纳米na3alf6催化剂及不锈钢磨球混合一起装入不锈钢球磨罐，抽真空后充入高纯氩气，在全方位行星式高能球磨机中球磨进行球磨。

13、优选的，所述步骤一中，所述原子比为：x:y:z＝2:2:2。

14、具体的，所述步骤二中，所述加热熔融的条件为：熔融环境为0.01到0.1mpa的高纯氦气，或者氦气与氩气的体积比为1:1的混合气体作为保护。

15、进一步的优选，在所述全方位行星式高能球磨机中球磨的参数为：球磨2-6小时，球料比1:20，转速350转/分。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)本发明的合金，通过加入微量稀土y、al、ti及sc进行合金化，y与mg可形成mg24y5相，mg与al可形成mg17al12相，sc与mg可形成mgsc相，al与ti可形成al2ti相，形成的金属间化合物能明显改善mg基合金的吸放氢热力学及动力学。

18、(2)同时，ti、y与氢能形成tih2、yh2和yh3氢化物，这些氢化物对mg基合金的吸放氢过程具有明显的催化作用。通过快淬处理获得具有纳米晶+非晶的特殊微观结构，这种结构有利于改善合金的吸放氢动力学。

19、(3)添加少量纳米na3alf6催化剂，通过机械球磨使催化剂均匀分布在合金颗粒表面，并明显增加晶体缺陷密度。由于na3alf6具有很高的活性，对改善mg基合金的吸放氢热力学具有非常有益的作用。这样制备的贮氢合金粉末不但具有高的吸放氢容量及优良的吸放氢动力学，有希望成为氢燃料电池的供氢载体。

20、(4)本发明的mg基合金的制备工艺简单易操作，非常适合规模化制备。

技术特征：

1.一种纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金，其特征在于，包含稀土元素y、金属al、ti及sc及纳米催化剂na3alf6，其化学式组成为：mg94-x-yyxtiyal 6-zscz+m wt.％na3alf6，式中x，y，z为原子比，1≤x≤5，0.5≤y≤3，0.5≤z≤3；m为na3alf6所占合金的百分比，1≤m≤6。

2.根据权利要求1所述的纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金，其特征在于，所述化学式组成的原子比为：x:y:z＝2:2:2，催化剂

3.根据权利要求1所述的纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金，其特征在于，所述贮氢合金具有经快淬处理后形成的纳米晶加非晶结构，平均晶粒尺寸为46至50nm。

4.根据权利要求2所述的纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金，其特征在于，所述催化剂na3alf6均匀分布在包含所述稀土元素y、金属al、ti及sc的合金颗粒的表面。

5.一种纳米na3alf6催化的高容量mg-y-al-ti-sc基贮氢合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述原子比为：x:y:z＝2:2:2。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述加热熔融的条件为：熔融环境为0.01到0.1mpa的高纯氦气，或者氦气与氩气的体积比为1:1的混合气体作为保护。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，在所述全方位行星式高能球磨机中球磨的参数为：球磨2-6小时，球料比1:20，转速350转/分。

技术总结本发明涉及固态贮氢合金材料技术领域，特别是提供了一种纳米Na<subgt;3</subgt;AlF<subgt;6</subgt;催化的高容量Mg‑Y‑Al‑Ti‑Sc基贮氢合金及其制备方法，所述合金包含稀土元素Y、金属Al、Ti及Sc及纳米催化剂Na<subgt;3</subgt;AlF<subgt;6</subgt;，其化学式组成为：Mg<subgt;94‑x‑y</subgt;Y<subgt;x</subgt;Ti<subgt;y</subgt;Al<subgt;6‑z</subgt;Sc<subgt;z</subgt;+m wt.％Na<subgt;3</subgt;AlF<subgt;6</subgt;，式中x，y，z为原子比，1≤x≤5，0.5≤y≤3，0.5≤z≤3；m为Na<subgt;3</subgt;AlF<subgt;6</subgt;所占合金的百分比，1≤m≤6。通过加入微量稀土Y、Al、Ti及Sc进行合金化，Y与Mg可形成Mg<subgt;24</subgt;Y<subgt;5</subgt;相，Mg与Al可形成Mg<subgt;17</subgt;Al<subgt;12</subgt;相，Sc与Mg可形成MgSc相，Al与Ti可形成Al<subgt;2</subgt;Ti相，形成的金属间化合物能明显改善Mg基合金的吸放氢热力学及动力学。同时，Ti、Y与氢能形成TiH<subgt;2</subgt;、YH<subgt;2</subgt;和YH<subgt;3</subgt;氢化物，对Mg基合金的吸放氢过程具有明显的催化作用。通过快淬处理获得具有纳米晶加非晶的特殊微观结构，改善合金的吸放氢动力学。技术研发人员：李军,曹正,张薇,张洋,房成,张羊换,马晓辉,张成林,冯旭东,苏振亚受保护的技术使用者：中稀（微山）稀土新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11