镁基储氢材料纳米化方法.pdf

本发明利用纳米碳材的纳米化工艺制备镁基储氢材料，使其形成单晶或多晶纳米颗粒以大幅提高比表面积，同时增加氢原子在储氢材料中的扩散通道。如此一来，可提高储氢材料的有效氢容量、加快储氢材料吸放氢的速率，并降低储氢材料吸放氢的温度。

1、  一种镁基储氢材料纳米化方法，包括：
将一镁基化合物与一纳米碳材于一钝气氛围下混合研磨，形成一纳米级镁基储氢材料；
其中该纳米级镁基储氢材料的尺寸小于100纳米。

2、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该镁基化合物包括镁或镁为主的合金。

3、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该纳米碳材包括碳纳米管、碳纳米粉体或上述组合。

4、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该钝气氛围包括氮气或氩气。

5、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该镁基化合物与该纳米碳材的重量比介于100∶0.5至100∶1之间。

6、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该混合研磨的时间介于6小时至12小时之间，温度介于27至40℃之间，且压力介于1atm至2atm之间。

7、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该纳米级镁基储氢材料在100℃至200℃之间，其吸放氢速率大于0.0073L/s。

8、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该纳米级镁基储氢材料于室温下的吸放氢速率介于0.0051L/s至0.0073L/s之间。

9、  如权利要求1所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，包括加入另一高硬度材料进行混合研磨，形成一纳米级高硬度材料与该纳米级镁基储氢材料均匀混合，且该纳米级高硬度材料的尺寸小于100nm。

10、  如权利要求9所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该高硬度材料为V、Ti、Fe、Co、Nb、Ca、Cs、Mn、Ni、Ca、Ce、Y、La、Pd、Hf、K、Rb、Rh、Ru、Zr、Be、Cr、Ge、Si或Li，或上述任意两种以上的混合物，或任意两种以上的合金。

11、  如权利要求9所述的镁基储氢材料纳米化方法，其中，该镁基化合物与该高硬度材料的重量比介于100∶5至100∶30之间。

镁基储氢材料纳米化方法
技术领域
本发明是关于一种镁基储氢材料，更特别关于纳米化镁基化合物的方法。
背景技术
在储氢材料的研究中，为提高有效储氢量、加速吸放氢速率、及降低吸放氢温度，材料纳米化(nanotization)为新研究方向。目前以机械方式纳米化具有延展性的材料如镁基化合物或添加的高硬度材料有其困难，原因在于磨球尺寸不是纳米尺度且与研磨材料的相对尺寸过大，因此难以施加纳米级的应力于上述材料。对于延展性材料而言，球磨虽可破坏材料，但破坏后的材料易于再结晶成更大尺寸，因此无法有效将其晶体尺寸缩小至纳米级。为避免再结晶现象，公知方法是利用液态氮降低延展性材料如铝基化合物的延展性，但上述低温研磨工艺将会增加成本。
综上所述，目前仍需新的研磨方法以形成纳米级储氢材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镁基储氢材料纳米化方法，以采用研磨方法形成纳米级储氢材料。
为实现上述目的，本发明提供的镁基储氢材料纳米化方法，包括将镁基化合物与纳米碳材于钝气氛围下混合研磨，形成纳米级镁基储氢材料；其中该纳米级镁基储氢材料的尺寸小于100纳米。
附图说明
图1是本发明中实施例1及比较实施例1的储氢速率比较图。
具体实施方式
本发明提供的镁基储氢材料纳米化方法，包括将镁基化合物与纳米碳材于钝气氛围下混合研磨，形成纳米级镁基储氢材料。纳米级镁基储氢材料的定义为尺寸小于100纳米。
上述镁基化合物为镁或镁为主的合金如Mg_1-xA_x，A系Li、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、O、Si、B、C、F或Be，且0＜x≤0.3。
合适的纳米碳材可为碳纳米管、碳纳米粉体、或上述的混合物。碳纳米管可为单层或多层碳纳米管，其管径约介于12至15nm之间。在本发明一实施例中，碳纳米管购自aldrich。碳纳米粉体的粒径约介于10nm至30nm之间。在本发明一实施例中，碳纳米粉体购自aldrich。
在本发明一实施例中，镁基化合物与纳米碳材的重量比介于100∶0.5至100∶1之间。过多的镁基化合物会造成储氢材料吸氢温度上升及晶界尺寸过大的现象，而过多的纳米碳材会造成吸氢重量比的下降。
将上述镁基化合物与纳米碳材混合后，于惰性气体如氮气、氩气下进行球磨。球磨工艺的研磨珠为直径8～10mm钨钢球，温度为27至40℃之间，压力为1.0至2.0atm之间，时间为6至12小时之间。当研磨时间大于12小时时，将会造成晶粒过度成长，但小于6小时时，将无法将晶粒磨到纳米级。
经上述研磨工艺后，即形成所谓的纳米级镁基储氢材料。由于本发明以更小、更硬、及更高刚性的碳纳米管作为研磨浆，研磨珠可将研磨应力集中于纳米尺度。高内部应力可使破坏面迅速延伸至镁基化合物内部，将其破坏至纳米尺寸，并在材料内部引进大量的晶体内部应力与高角度晶界。如此一来，纳米级镁基储氢材料的结构具有很多的晶界缺陷，可作为氢原子扩散的快速通道，有助于储氢材料快速储存或释放氢原子。在应用方面，可使有效储氢量逼近理论最大储氢量，加速吸放氢速率，及降低吸放氢温度。在本发明一实施例中，纳米级镁基储氢材料在150℃至300℃之间的吸放氢速率大于0.0073L/s。在本发明另一实施例中，纳米级镁基储氢材料在室温(25℃)的吸放氢速率介于0.0051L/s至0.0073L/s之间。
在本发明另一实施例中，可添加高强度且非延展性的高硬度材料至上述的研磨工艺。研磨顺序并无限制，可先研磨高硬度材料与纳米碳材的混合物后，再加入镁基化合物进行研磨。亦可先研磨镁基化合物与碳纳米材的混合物后，再加入高硬度材料进行研磨。亦可同时研磨镁基化合物、高硬度材料、与纳米碳材的混合物。经研磨后，高硬度材料的尺寸将纳米化至小于100nm，且纳米化的高硬度材料会均匀分散于纳米级镁基储氢材料中。导入高硬度材料的目的在于增加储氢材料的机械强度。高硬度材料可为V、Ti、Fe、Co、Nb、Ca、Cs、Mn、Ni、Ca、Ce、Y、La、Pd、Hf、K、Rb、Rh、Ru、Zr、Be、Cr、Ge、Si或Li，或上述任意两种以上的混合物，或上述任意两种以上的合金。当上述的高硬度材料为铁、钛或镍时，可进一步具有催化剂的作用加速将氢分子转化成氢原子并快速储存氢原子。镁基化合物与高硬度材料的重量比介于100∶5至100∶30之间，若超过这个比例，则过多的高硬度材料将会降低储氢材料的性能。
为使本领域技术人员更加清楚本发明的特征，举例于下述的实施例。
实施例1
取0.7g的镁(伟斯企业股份有限公司)、0.3g的FeTi(升美达国际开发股份有限公司)、及0.01g的碳纳米管(aldrich)于氩气下进行球磨工艺。球磨工艺的研磨珠为钨钢，温度为27，压力为1atm，时间为6小时。由XRD绕射结果及穿透式电子显微镜图像分析可知，球磨后的Mg与的平均晶体小于100nm。另一方面，测量压力、氢气浓度、以及温度(Pressure-Concentration-Temperature)等参数推算其储氢速率，结果如图1所示。
比较实施例1
与实施例1大致相同，唯一的差别在于未添加碳纳米管作为研磨浆。由XRD绕射结果及穿透式电子显微镜图像分析可知，球磨后的Mg的平均晶体小于100nm。另一方面，测量压力、氢气浓度、以及温度(Pressure-Concentration-Temperature)等参数推算其储氢速率，结果如图1所示。
由图1的储氢速率比较可知，有添加碳纳米管的纳米化工艺所形成的储氢材料(实施例1)，明显优于未添加碳纳米管的纳米化工艺所形成的储氢材料(比较实施例1)。
虽然本发明已以数个实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以申请的权利要求范围所界定的内容为准。