专利名称：一种制备氢化镁的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备氢化镁的方法，还涉及一种制备氢化镁的装置。
背景技术：
氢化镁(MgH2)，又称二氢化镁，是一种无机盐，外观呈灰白色粉末，晶体结构是四方晶系，密度为1.45g/cm3。MgH2属共价型氢化物，其形成焓为-74. 5kJ/mol，在常温常压下稳定性较高，吸放氢温度一般高达623-673K。MgH2在真空下，280°C分解。MgH2呈弱碱性，不溶于一般有机溶剂，易燃而且具有刺激性。MgH2不能用来代替氢化钙作为氢源或干燥剂，也不能代替氢化钠在有机反应中作为碱性缩合剂，因其碱性太弱，但可形成聚合物，故可用来制备无机聚合型氢化物及用于焰火。MgH2是很强的还原剂，与水接触足以产生氢气；与甲醇接触，生成醇镁及氢气。与氢化硼或氢化招作用，可生成双氢化物。MgH2的含氢量高达7. 65%，具有广泛的潜在用途作为储氢材料，从理论储氢容量而言，它是金属储氢材料中的首选；用于制氢，它可以在常温下发生水解反应释放出氢气， 适合于作为即时制氢的便携式氮源；另外，MgH2因为上述的性质还可以用作催化剂、还原剂和制取闻纯金属粉末等。目前，MgH2的制备方法主要有两种一种是用烷基镁进行热分解；另一种是以镁粉为原料，在加压、加热下直接与氢反应而得。但上述的镁粉的氢化过程需要有较高的温度和氢压等条件(温度300-400°C， 10-15MPa)。目前市售的多晶MgH2粉末不仅价格昂贵，而且晶粒尺寸粗大，用作储氢材料时， 吸放氢动力学极其缓慢；水解制氢时也由于生成Mg (OH) 2钝化膜包覆在未反应的MgH2表面， 导致水解反应速度显著下降或反应无法继续进行，因此无法直接用于储氢或水解制氢。
发明内容
本发明第一方面所要解决的技术问题是提供一种制备氢化镁的装置。本发明通过以下技术方案解决上述技术问题，达到本发明的目的。一种制备氢化镁的装置，包括反应爸,所述反应爸包括敞口的反应爸本体及封闭住所述敞口的盖体；插板阀门，所述插板阀门设置在所述反应釜内，位于所述反应釜的中部，将所述反应釜分隔为上部和下部；第一加热线圈，所述第一加热线圈设置于所述反应釜的下部；第二加热线圈，所述第二加热线圈设置于所述反应釜的上部；第一进气口，所述第一进气口设置于所述反应釜的上部的侧壁；进出气口，所述进出气口设置于所述反应釜的上部的侧壁；出气口，所述出气口设置于所述反应釜的上部的侧壁。本发明的制备氢化镁的装置，结构简单。因为设置了所述反应釜和所述第一加热线圈，可以允许镁粉在本发明的装置中变成镁蒸汽并遇冷凝结成镁颗粒，再与氢气反应。第一加热线圈的作用为了将Mg块蒸发凝结成Mg粉；第二加热线圈的作用是加热使Mg和H2反应；反应釜分为上下部，并设置两个加热线圈，有利于反应的控制。本发明实施时，优选地，所述制备氢化镁的装置还包括真空泵，所述真空泵与所述出气口连接。所述真空泵用于将所述反应釜抽真空。本发明实施时，优选地，所述制备氢化镁的装置还包括氢气源，所述氢气源与所述第一进气口连接。所述氢气源负责向所述反应釜中提供氢气，并形成氢压。本发明实施时，优选地，所述制备氢化镁的装置还包括隔热层，所述隔热层包裹所述第二加热线圈。所述隔热层用于隔热，以保持所述反应釜中的反应温度。进一步，所述隔热层是石棉层。本发明实施时，优选地，所述制备氢化镁的装置还包括第一控制电源，所述第一控制电源与所述第一加热线圈连接。所述第一控制电源用于控制输送给所述第一加热线圈的电流。本发明实施时，优选地，所述制备氢化镁的装置还包括第二控制电源，所述第二控制电源与所述第二加热线圈连接。所述第二控制电源用于控制输送给所述第二加热线圈的电流。本发明的所要解决的第二方面的技术问题是提供一种制备氢化镁的方法。一种制备氢化镁的方法，采用前面所述的制备氢化镁的装置，包括以下步骤I)将镁块装入敞口容器，然后置于所述第一加热线圈中；2)密封所述反应釜并关闭所述第一进气口、进出气口和所述出气口 ；3)从所述出气口将所述反应釜抽真空，然后关闭所述出气口 ；4)在所述反应釜的真空环境中，通过所述第一加热线圈将所述镁块加热蒸发成镁蒸气，部分的所述镁蒸气在所述反应釜的上部凝结成镁粉；5)关闭所述插板阀门并断开所述第一加热线圈，从所述第一进气口向所述反应釜中充入氢气；6)通过所述第二加热线圈加热，并保温，让所述镁粉、所述镁蒸气和所述氢气进行反应;7)断开所述第二加热线圈，冷却，让生成的所述氢化镁沉积在所述反应釜的内壁上；8)钝化，收集得到所述氢化镁。在本发明实施时，优选地，在所述步骤3)中，所述将反应釜抽真空是抽真空至 I (T3-I (T2Pa。在本发明实施时，优选地，在所述步骤4)中，所述将镁块加热蒸发成镁蒸气是加热至 650-750°C。在本发明实施时，优选地，在所述步骤6)中，所述加热是加热至350_420°C，所述保温的时间是IOh 20h。本发明利用镁粉、镁蒸气制备氢化镁，制备的工艺简单、高效，只需将Mg块放入设备就可以原位制取氢化镁，制得的氢化镁纯度高。以下将结合附图对本发明的构思、具体特征及产生的技术效果作进一步说明，以使本领域的技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图I是本发明所述的制备氢化镁的装置的结构示意图。图2是实施例I中反应生成的白色粉末的XRD图谱。图3是实施例2中反应生成的白色粉末的XRD图谱。图4是实施例I中反应生成的白色粉末的DSC/TGA曲线图。
具体实施例方式本发明的制备氢化镁的方法，总体而言，包括以下步骤a)将反应容器抽真空；b)在反应容器的真空环境中，将镁块加热蒸发成镁蒸气，部分的镁蒸气在反应容器的上部凝结成镁粉；c)向反应容器中充入氢气；d)加热，并保温，让镁粉、镁蒸气和氢气进行反应；e)冷却，让生成的氢化镁沉积在反应容器的内壁上；f)钝化，收集得到氢化镁。在步骤a)中，将反应容器抽真空是抽真空至10_3_10_2Pa。在步骤b)中，将镁块加热蒸发成镁蒸气是加热至650-750°C。在步骤c)中，充入氢气直至压强为5-8MPa。在步骤 d)中，加热是加热至350-420°C然后保温，保温的时间是IOh 20h。如图I所示，为了实现上面的方法，本发明提出了下面的一种制备氢化镁的装置。 这种制备氢化镁的装置包括反应釜I、插板阀门2、第一加热线圈3、第二加热线圈、第一进气口 121、进出气口(图中未示出)、出气口 122、真空泵5、氢气源6、隔热层7、第一控制电源8、第二控制电源9。反应爸I为不锈钢反应爸,反应爸I包括敞口的反应爸本体及封闭住敞口的盖体。 插板阀门2设置在反应釜I内，位于反应釜I的中部，将反应釜I分隔为上部12和下部11 ； 第一加热线圈3设置于反应釜I的下部11 ;第二加热线圈设置于反应釜I的上部12，围绕反应釜I的上部的外侧面而设；第一进气口 121设置于反应釜I的上部12的侧壁，进出气口也设置于反应釜I的上部12的侧壁；出气口 122设置于反应釜I的上部的侧壁。真空泵 5与出气口 122连接。氢气源6与第一进气口 121连接，氢气源6优选为氢气钢瓶。隔热层7包裹第二加热线圈，隔热层7优选为石棉层。第一控制电源8与第一加热线圈3连接。 第二控制电源9与第二加热线圈连接。本具体实施方式
中的制备氢化镁的装置，还设置有热电偶、压力表。压力表设置在反应釜的盖体上。热电偶和压力表的设置方式是本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。使用本具体实施方式
的装置，具体实施本发明的制备氢化镁的方法的步骤如下I)打开反应釜I的盖体、插板阀门2，将镁块装入敞口容器4，然后置于第一加热线圈3中，敞口容器4优选陶瓷坩埚；2)关闭反应釜I的盖体，密封反应釜I并关闭进气口 121、进出气口和出气口 122 ；3)打开出气口 122，用真空泵5从出气口 121将反应釜I抽真空至10_3_10_2Pa，然后关闭出气口 122 ；4)通过第一控制电源8闭合第一加热线圈3，在反应釜I的真空环境中，通过第一加热线圈3将镁块加热加热至650-750°C，使镁块蒸发成镁蒸气，部分的镁蒸气在反应釜的上部减结成续粉；5)关闭插板阀门2并通过第一控制电源8断开第一加热线圈3，用真空泵5从进气口 121向反应釜中充入氢气，至气压为5-8MPa ；6)通过第二控制电源9闭合第二加热线圈，通过第二加热线圈加热至350_420°C 然后保温，让镁粉、镁蒸气和氢气进行反应，保温的时间是IOh 20h ；7)通过第二控制电源9断开第二加热线圈，冷却，让生成的氢化镁沉积在反应釜I 的内壁上；8)钝化，然后打开反应釜I的盖体，用不锈钢钢勺刮下沉积在反应釜I内壁的沉积物，收集得到氢化镁。具体的钝化方式是，打开进出气口，抽出反应剩余的H2,放入空气。
在以下实施例中，采用D/max 2550VL/PCX射线衍射仪(Cu_K α )进行XRD测试。实施例II)打开反应釜I的盖体、插板阀门2，将纯Mg块装入陶瓷坩埚(口径略小于第一加热线圈3)，然后置于反应釜I下部11的第一加热线圈3中；2)关闭反应釜I的盖体、进气口 121、进出气口和出气口 122，将反应釜I密封；3)打开真空泵5和出气口 122，抽真空至10_2Pa，然后关闭真空泵5和出气口 122 ；4)打开第一控制电源8,第一加热线圈3工作,加热至650°C,使Mg块蒸发，Mg蒸气到反应釜I上部12遇冷会沉积到反应釜的内壁上，加热至650°C所用的时间为5个小时；5)关闭插板阀门2和第一控制电源8,充入H2至6MPa ；6)打开第二控制电源9，第二加热线圈工作，加热至350°C然后保温，使Mg和H2充分反应，保温时间为20个小时；7)关闭第二加热线圈，使反应釜I自然冷却，粉末沉积在反应釜I内壁上；8)钝化后收集得到白色的粉末。对上述所制得的白色的粉末进行XRD(X射线衍射谱)测试。如图2所示，依次在下列角度处出现MgH2的晶面特征峰(括号前是角度，括号中是对应的晶面)28. 1(110)、 35. 920(101)、40· 089(200)、54· 747(211)、57· 543(220)、61· 539(002)、64· 425(310)、 68. 766(112)、70· 178(301)、75· 891 (202)、83· 599(321)、89· 333 (222)、92· 790(330)、 96.011(312),96. 966(411),99. 301 (420)，如图2所示，MgH2的晶面特征峰很尖锐说明晶体含量较多，晶体比较纯；Mg和MgO有少量的特征峰出现而且相对强度低；故乂1 图谱显示制得的粉末中MgH2纯度高。图4为制得的白色的粉末(加热时间为25个小时)的DSC/TGA曲线图，测试在德国耐驰STA 449F3型DSC/TGA仪器中进行，测试条件氩气气氛，流速30ml/ min ;升温速率10°C /min ;温度范围为20_550°C。图4中的DSC曲线在440°C左右有一个吸热峰，与MgH2的放氢温度相符，证明了 MgH2的生成。实施例2I)打开反应釜I的盖体、插板阀门2，将纯Mg块装入陶瓷坩埚(口径略小于第一加热线圈3)，然后置于反应釜I下部11的第一加热线圈3中；2)关闭反应釜I的盖体、进气口 121、进出气口和出气口 122，将反应釜I密封；
3)打开真空泵5和出气口 122，抽真空至10_2Pa，然后关闭真空泵5和出气口 122 ；4)打开第一控制电源8，第一加热线圈3工作，加热至700°C，使Mg块蒸发，Mg蒸气到反应釜I的上部12遇冷会沉积到反应釜的内壁上，加热至700°C所用时间为5个小时；5)关闭插板阀门2和第一控制电源8，充入H2至8MPa ；6)打开第二控制电源9，第二加热线圈工作，加热至400°C然后保温，使Mg和H2充分反应，保温时间为20个小时；7)关闭第二加热线圈，使反应釜I自然冷却，粉末沉积在反应釜I内壁上；8)钝化后收集得到白色的粉末。对上述所制得的白色的粉末进行XRD (X射线衍射谱)测试如图3所示，依次在下列角度处出现MgH2的晶面特征峰(括号前是角度，括号中是对应的晶面)28. 1(110)、 35. 920(101)、40· 089(200)、54· 747(211)、57· 543(220)、61· 539(002)、64· 425(310)、 68. 766(112)、70· 178(301)、75· 891 (202)、83· 599 (321)、89· 333 (222)、92· 790(330)、 96. 011(312),96. 966 (411)、99. 301 (420)。如图3所示，XRD图谱显示制得的粉末中MgH2纯度高。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种制备氢化镁的装置，其特征在于，包括反应爸，所述反应爸包括敞口的反应爸本体及封闭住所述敞口的盖体；插板阀门，所述插板阀门设置在所述反应釜内，位于所述反应釜的中部，将所述反应釜分隔为上部和下部；第一加热线圈，所述第一加热线圈设置于所述反应釜的下部；第二加热线圈，所述第二加热线圈设置于所述反应釜的上部；第一进气口，所述第一进气口设置于所述反应釜的上部的侧壁；进出气口，所述进出气口设置于所述反应釜的上部的侧壁；出气口，所述出气口设置于所述反应釜的上部的侧壁。
2.如权利要求I所述的制备氢化镁的装置，其特征在于，还包括真空泵，所述真空泵与所述出气口连接。
3.如权利要求I所述的制备氢化镁的装置，其特征在于，还包括氢气源，所述氢气源与所述第一进气口连接。
4.如权利要求I所述的制备氢化镁的装置，其特征在于，还包括隔热层，所述隔热层包裹所述第二加热线圈。
5.如权利要求I所述的制备氢化镁的装置，其特征在于，还包括第一控制电源，所述第一控制电源与所述第一加热线圈连接。
6.如权利要求I所述的制备氢化镁的装置，其特征在于，还包括第二控制电源，所述第二控制电源与所述第二加热线圈连接。
7.一种制备氢化镁的方法，其特征在于，米用如权利要求1-6任一项所述的制备氢化镁的装置，包括以下步骤1)将镁块装入敞口容器，然后置于所述第一加热线圈中；2)密封所述反应釜并关闭所述第一进气口、进出气口和所述出气口；3)从所述出气口将所述反应釜抽真空，然后关闭所述出气口；4)在所述反应釜的真空环境中，通过所述第一加热线圈将所述镁块加热蒸发成镁蒸气，部分的所述镁蒸气在所述反应釜的上部凝结成镁粉；5)关闭所述插板阀门并断开所述第一加热线圈，从所述第一进气口向所述反应釜中充入氢气;6)通过所述第二加热线圈加热，并保温，让所述镁蒸气、所述镁粉和所述氢气进行反应；7)断开所述第二加热线圈，冷却，让生成的所述氢化镁沉积在所述反应釜的内壁上；8)钝化，收集得到所述氢化镁。
8.如权利要求7所述的制备氢化镁的方法，其特征在于在所述步骤3)中，所述将反应釜抽真空是抽真空至10-3-10_2Pa。
9.如权利要求7所述的制备氢化镁的方法，其特征在于在所述步骤4)中，所述将镁块加热蒸发成镁蒸气是加热至650-750°C。
10.如权利要求7所述的制备氢化镁的方法，其特征在于在所述步骤6)中，所述加热是加热至350-420°C，所述保温的时间是IOh 20h。
全文摘要
本发明涉及一种制备氢化镁的方法，还涉及一种制备氢化镁的装置。一种制备氢化镁的装置，包括反应釜；插板阀门，所述插板阀门设置在所述反应釜内，位于所述反应釜的中部，将所述反应釜分隔为上部和下部；第一加热线圈，所述第一加热线圈设置于所述反应釜的下部；第二加热线圈，所述第二加热线圈设置于所述反应釜的上部；第一进气口，所述第一进气口设置于所述反应釜的上部的侧壁；进出气口，所述进出气口设置于所述反应釜的上部的侧壁；出气口，所述出气口设置于所述反应釜的上部的侧壁。一种制备氢化镁的方法，采用前面所述的制备氢化镁的装置。本发明解决了现在制备氢化镁需要较高温度和较高的氢压的技术问题。
文档编号C01B6/04GK102583244SQ20121003753
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者丁文江, 曾小勤, 邹建新, 郭皓 申请人:上海交通大学