液态金属镓和中空玻璃微球复合储氢材料的制作方法

本发明属于新型固体储氢材料领域，涉及一种液态金属镓和中空玻璃微球复合储氢材料及其制备方法。

背景技术：

1、氢能，作为一种清洁、高效的能源形式，日益受到全球的关注。其独特之处在于，它既可用于燃料，为车辆和发电站提供动力，也可作为能源载体，实现电、热能与氢能的相互转换。在大规模储能领域，氢能的优势尤为突出，其储能量大，且可随时进行充能和放电，为风能、太阳能等间歇性能源提供了稳定的储能解决方案。然而，氢能的广泛应用还面临着一大挑战：储氢技术。作为一种密度低、难以液化的气体，氢气的储存和运输难度较大。目前，主要的储氢方式包括压缩氢气和液态氢气。但无论哪种方式，都存在一定的技术瓶颈。例如，氢气压缩和液化的能耗较高，而且氢气的原子和分子尺寸小，容易从容器中泄漏。因此，如何实现氢气的高密度、安全、高效的储存和运输，是当前储氢技术研究的重点和难点。

2、针对这一难题，科研人员正在积极探索新型的储氢材料和技术。如金属有机骨架、碳纳米管等新型材料的出现，为储氢技术的发展带来了新的机遇。此外，利用太阳能、风能等可再生能源进行电解水制氢，也是未来储氢技术的发展方向之一。

3、在储氢技术领域，传统的高压气瓶和液态氢储存技术虽然在一定程度上满足了氢能的储存需求，但它们在安全性、经济性和便捷性上存在明显不足。高压气瓶储存氢气通常需要在高压环境下进行，这不仅对储存容器的耐压性能提出了很高的要求，而且增加了储存和运输过程中的安全隐患。液态氢储存技术虽然能够实现较高的储氢密度，但需要在极低的温度下进行，这不仅增加了储存和运输的成本和难度，而且对储存容器的隔热性能要求极高。此外，液态氢的蒸发也会导致能量损失，从而影响其经济性。为了克服这些不足，固体储氢材料成为了一个研究热点。

4、与高压气瓶和液态氢储存技术相比，固体储氢材料具有更高的安全性能、更佳的储氢密度以及更便捷的操作工艺和运输方式。固体储氢材料的储氢密度通常较高，能够实现较高的质量储氢密度和体积储氢密度。此外，固体储氢材料的操作工艺相对简单，这使得其在实际应用中具有更大的优势。固体储氢技术中，玻璃微球储氢技术以其独特的优势备受关注。玻璃微球储氢主要利用微米级的玻璃球作为载体，通过物理或化学吸附的方式储存氢气。这种技术的优点在于安全性能高、储氢密度大，且操作工艺简单，便于运输。然而，玻璃微球储氢技术的发展也面临着一些挑战。如进一步提高储氢容量是一个关键问题。对于储氢过程中涉及的吸附和解吸机制、动力学以及温度效应等基础问题仍需深入研究。

技术实现思路

1、本发明提供一种液态金属镓和中空玻璃微球复合储氢材料。首先在氢氟酸中刻蚀玻璃微球，接下来把液态金属镓与玻璃微球混合搅拌，使液态金属涂附在玻璃微球表面，得到镓与玻璃微球的复合固体粉末，作为固体储氢材料进行氢气的直接高压吸附储存。

2、进一步，将直接购买得到的商品玻璃微球过筛，以筛选出直径小于50微米的中空玻璃微球，从而使合成的复合材料更均匀，不易破损，最终制备得到的复合材料性能更稳定。

3、进一步，稀氢氟酸适度刻蚀玻璃微球可以提供更多的表面缺陷，从而实现液态金属的均匀结合，同时有利于氢的扩散。

4、进一步，复合储氢材料在氢气压力为5mpa，温度为100℃的条件下，实现1.61wt％的氢气存储密度。

5、进一步，复合储氢材料在氢气压力为5mpa，温度为200℃的条件下，实现3.14wt％的氢气存储密度。

6、进一步，液态金属镓起到了裂解氢气分子和传导氢原子的作用，可以降低氢气分子裂解和氢原子重组的反应能垒，从而改善中空玻璃微球的缓慢储氢动力学。

7、本发明还提供了一种制备液态金属镓和中空玻璃微球的复合储氢材料的方法，步骤如下：

8、步骤1：准备浓氢氟酸并将其稀释为较低浓度的氢氟酸水溶液。

9、步骤2：将直接购买得到的中空玻璃微球粉末过筛后加入到稀氢氟酸中，搅拌15分钟。

10、步骤3：将酸刻蚀后的中空玻璃微球使用去离子水洗涤至中性后抽滤，在60℃的真空烘箱中烘干。

11、步骤4：处理后的中空玻璃微球与适量液态金属镓在玻璃瓶中混合。

12、步骤5：使用磁力搅拌器将混合物搅拌过夜，得到浅灰色样品粉末ga@hgms。

13、本发明提供的液态金属镓和中空玻璃微球的复合储氢材料表达式为ga@hgms。该复合材料为表面负载镓的中空玻璃微球粉末，粉末颗粒尺寸为10-50微米，其中液态金属镓的含量占复合材料总量的50％。镓以金属液滴的形式负载于中空玻璃微球的表面，起到催化氢反应和促进氢原子扩散的作用。

14、本发明制备的新型固体储氢材料具有以下优势：

15、1)该方法操作简单，条件温和，适用于大规模制备；

16、2)本发明制备的ga@hgms在略高于室温的工作条件下进行氢气的存储，储氢密度满足固定式和移动式装置的应用需求；

17、3)本发明制备的ga@hgms具有较为可观的吸附储氢容量以及快速的氢吸附动力学，在实际应用中具有明显优势。

技术特征：

1.一种液态金属镓和中空玻璃微球复合储氢材料，表达式为ga@hgms，ga代表外层的ga液态金属，hgms为中空玻璃微球hollow glass microspheres的缩写，其特征在于，ga@hgms为液态金属镓修饰于中空玻璃微球表面的复合材料，镓以液滴的状态附着在玻璃微球表面，其中镓含量约为60wt％，玻璃微球的直径为10-50微米。

2.一种根据权利要求1所述的液态金属镓和中空玻璃微球的复合材料直接吸附储氢的用途，其特征在于，用于在适中的氢气压力和略高于室温的温度下进行氢气的存储。

3.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，ga@hgms的氢气存储密度为3.1wt％，工作温度为200℃，氢气压力为65bar。

4.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，ga@hgms的氢气存储密度为1.6wt％，工作温度为100℃，氢气压力为65bar。

5.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，ga@hgms在工作温度为200℃和100℃，氢气压力为65bar的条件下，连续两次氢气吸附和脱附测试，储氢容量不发生衰减。

6.一种根据权利要求1所述的液态金属镓和中空玻璃微球的复合储氢材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明涉及一种液态金属镓和中空玻璃微球复合储氢材料。该材料通过稀氢氟酸刻蚀玻璃微球，使其表面产生缺陷，随后与液态金属镓混合搅拌，形成镓涂附的玻璃微球复合粉末。此材料在温和条件下实现高效氢气存储，储氢密度满足多种应用需求。制备方法简单，适用于大规模生产。复合储氢材料在100℃和200℃、5MPa氢气压力下，分别实现1.61wt％和3.14wt％的储氢密度。液态金属镓有效降低氢气分子裂解和氢原子重组的反应能垒，改善储氢动力学和热力学。该发明提供的复合储氢材料Ga@HGMs具有优异性能，为氢气储存领域提供新的解决方案，有望在固定式和移动式储氢装置中发挥重要作用。此外，该材料的可观储氢容量和快速吸附动力学使其在实际应用中具有显著优势，有望推动氢气储存技术的发展。技术研发人员：水江澜,刘世媛受保护的技术使用者：天目山实验室技术研发日：技术公布日：2024/6/18