两步法镍掺杂及碳介孔骨架纳米限域的氢化镁储氢材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明通过镍元素掺杂的介孔骨架材料将氢化镁储氢材料限域在纳米孔道中，属于清洁能源材料技术领域。
【背景技术】
[0002]当今世界为了解决能源短缺、环境污染和经济可持续发展，人们在竭力寻找可替代的清洁能源和可再生能源。近年来“雾霾”成为人们最痛恨的污染，由此可见，寻找新的清洁能源无论对整个世界还是对我国的可持续发展都有着特别重要的意义。氢能燃烧产物为水，是一种理想的低污染或零污染的清洁能源，能量密度高(142 MJ kg—工)，虽然氢燃料汽车的发展困难重重，但作为长期目标来看终将是解决城市大气污染的最重要途径之一。美国能源部(DOE)新修订的储氢标准为:到2017年，储氢系统的体积储氢密度达到40g/L，质量储氢密度为5.5wt.%。目前所研究的金属氢化物、碳材料、介孔材料、复合氢化物及化学氢化物等多种储氢体系均无法满足车载氢源的要求，因为含氢量较高的储氢体系不仅吸放氢温度高，而且吸放氢动力学差，而放氢温度较低且动力学吸放氢速率较高的材料储氢容量又较低。金属镁(Mg)理论储氢容量高(7.6 wt.%)、可逆性好、储放氢反应简单可控而备受关注。然而，由于氢化镁(MgH2)动力学吸放氢速率缓慢，在I个大气压下放氢温度接近573Κ(Δ H=75kJ mol—1 H2)，故其距满足车载氢源的实际应用要求尚有很大距离。
[0003]提高Mg吸放氢性能的手段主要由以下两种:一种是通过加入催化剂或添加剂进行机械球磨改性；另一种方法是Mg晶粒的纳米化，用介孔骨架材料纳米限域MgH2来抑制颗粒的烧结和团聚是一种有效的方法。Dipendu Saha等人系统研究了有序介孔碳掺杂Pd、Pt、Ni和Ru后的储氢性能，发现掺杂镍元素之后的有序介孔碳在低压800 Torr氢压力下较纯有序介孔碳吸氢速率高出2.7?5.4倍，而在高压300bar氢压力下高出1.38-3.4倍，掺杂镍元素之后储氢性能得到极大提高。而Yi Jia等人将MgH2限域到有序介孔骨架上，得到的CMK3-MgH2储氢体系，放氢温度及放氢动力学均得到很大的提高。实验证明，该体系在50°C就可以放出氢气。事实上，将金属活性组分通过不同制备方法负载到有序介孔碳中，可以制备出金属负载型有序介孔碳催化剂，其具有较高的比表面积、独特的孔道结构、较窄的孔径分布范围和良好的水热稳定性及机械稳定性等优点，因此在催化、储氢材料、吸附分离和电极材料等领域受到广泛关注。特别的，很多情况下双元素共掺杂因其协同效应而表现出更好的性能。无一例外，所有这些杂化原子掺杂都是通过调整碳材料的电子结构特性来优化其性能的。通过上面的分析可以看出，耦合纳米限域和镍元素杂化原子掺杂是改善氢化镁的吸放氢动力学、尤其是改善氢化镁的放氢热力学的可能途径。
【发明内容】
[0004]本发明针对Mg吸放氢速率慢、放氢温度高，提出了用镍元素掺杂对纳米限域镁基储氢材料性能进行改善，该储氢材料为MgH2颗粒负载在掺杂镍元素的介孔骨架材料纳米孔道中，制备工艺简单、原料成本低、反应条件容易控制，“纳米限域”很好的抑制了 MgH2团簇的烧结和长大，由于Mg与介孔骨架材料之间的相互作用，以及催化强的活性镍元素的影响，使得Mg的吸放氢动力学和放氢热力学得到了很大的改善。
[0005]本发明的技术方案如下所述。
[0006]—种两步法镍掺杂及碳介孔骨架纳米限域的氢化镁储氢材料的制备方法，其特征在于具有如下的制备过程和步骤:
A.制备镍掺杂的碳介孔骨架材料
a.将鹿糖与介孔娃SBA-15按照5:4的质量比溶于稀硫酸中，电磁搅拌6h，置于373?433k烘箱中干燥24h;
b.干燥后样品在473k下预烧6h，之后在1073?1173温度下高温烧结5h，得到的介孔材料用稀氢氟酸清洗Sh以除去硅，干燥后制得碳介孔骨架材料备用，其孔径为2?6nm;
c.进行镍掺杂，用硝酸镍作为镍源，镍与碳介孔骨架材料按照I: 50?I: 20的质量百分比进行杂化，并加入到硫酸溶液中，使碳介孔骨架材料基体中弥散掺杂元素镍，一步法合成镍掺杂的碳介孔骨架材料；
B.将氢化镁负载到镍掺杂的碳介孔骨架材料上
a.在433?523K温度下真空干燥镍掺杂的碳介孔骨架材料，除去在纳米孔道中的气态杂质和湿气，干燥6?12h；
b.将上述步骤a所述干燥后的镍元素掺杂的碳介孔骨架材料置于高压反应釜中，称取一定量的二丁基镁与镍掺杂碳介孔骨架材料混合;其中，镁与镍掺杂的碳介孔骨架材料的质量比为I:4-1:6；将高压反应釜用氢气低压洗气6?10次，使得高压反应釜中的惰性气体全部置换为氢气；在高压反应釜中调节氢气压力至4MPa开始升温并搅拌，搅拌速度为400?600rmp/min ；当温度升到443?473K后，调压至5?6MPa，反应24h ；
c.将上述步骤b所述制备后的样品冷却、减压，在手套箱中将悬浮的液体移去，得到嵌入镍元素掺杂的碳介孔骨架材料中的氢化镁凝胶沉淀物;取一定量的戊烷与该凝胶混合并电磁搅拌3~6h，洗去负载在介孔孔道外的氢化镁，待沉淀后，移去戊烷;重复此过程2~3遍；
d.将上述步骤c洗涤完的镍元素掺杂碳介孔骨架材料在353?373K下真空干燥6h即可得到负载在镍掺杂碳介孔骨架材料纳米孔道中的氢化镁;被限域的氢化镁的尺寸分布在I?4nm之间ο
[0007]本发明的显著效果是:该储氢材料为MgH2颗粒负载在镍元素掺杂的介孔骨架材料纳米孔道中，制备工艺简单、原料成本低、反应条件容易控制，“纳米限域”很好的抑制了MgH2团簇的烧结和长大、Mg与介孔骨架材料之间的相互作用，以及催化性强的活性镍元素的影响，使得Mg的吸放氢动力学和放氢热力学得到了很大的改善。该种方法制备的MgH2基储氢材料可作为氢源提供氢，由于其储氢量高、吸放氢动力学好、放氢温度低，实现了 Mg在室温下就可以放出大量的氢，可商业化应用于移动能源、燃料电