本发明涉及合金燃料电池领域，具体涉及一种改性金属合金材料及制备方法和其作为金属燃料电池的阳极材料的应用。
背景技术：
：合金燃料电池，是指用铝、镁等金属为阳极，空气电池为阴极，电解液为中性盐水或海水进行发电。其利用空气中的氧气为负极材料，具有容量高、储存时间长、安全环保等优点。可作为没有市电区域的发电装置使用，也可以用于救灾、抢救、旅游等场合，具有广泛的用途。金属阳极是合金燃料电池的核心部件，主要采用轻合金铝、镁材料制造。铝、镁材料制具有比较负的电位，与空气电极配对可以达到1.5V以上的电压。但是实用过程中，阳极材料会发生钝化，即表面逐渐失去活性，电压升高，造成放电终止。实验证明，在铝、镁阳极材料中加低熔点的合金元素，例如镓(Ga)、铟(In)等，可以促进阳极材料的活化，减少钝化现象。其原因在于低熔点的合金元素使铝、镁阳极材料的新鲜表面暴露于溶液中，减弱钝化效果的出现。例如，发明专利CN101814595A公开了一种海水动力电池用铝阳极材料，以铝为基体，含有质量分数为0.01～1.0wt％的活化元素汞，0.05～2.0wt％的镓，0.05～2.0wt％的镁、0.01～1.0wt％的锡和0.01～1.0wt％的锌，由其作为阳极材料的海水激活动力电池具有激活时间短，电流效率高，放电平稳，析氢量少等优点。发明专利CN101693999A公开了一种铝锌锡系牺牲阳极材料，由组份如下：Zn5.0～8.0％，Sn0.05～0.2％，Ga0.01～0.05％，余量为Al，由其作为阳极材料的合金燃料电池的电流效率能达到93％以上，实际电容量达2620Ah·kg-1以上。可见，在铝、镁阳极材料中加入低熔点的合金元素，能够避免阳极在放电过程中出现钝化，有效提升合金燃料电池的放电能力。但是，添加的合金元素的成本较高，部分合金元素的毒性较大，容易带来环境污染。除此以外，添加合金元素的阳极材料一般只能与氧化钾、氢氧化钾或氢氧化钠等强碱性电解液配合使用。技术实现要素：为了解决上述技术问题，本发明提供一种改性金属合金材料，其采用金属材料作为基体，通过制备中加入无机盐及膨润土制得；其中：以质量分数(wt％)计，所述金属材料为85～98，所述无机盐为1.5～13，所述膨润土为0.05～2；所述金属材料为铝、镁中的一种或两种；所述无机盐为氯化钠、磷酸钠中的一种或两种。在本发明的改性金属合金材料，其内部均匀分布可溶性的无机盐粒子(氯化钠和/或磷酸钠)。放电过程中，无机盐粒子(氯化钠和/或磷酸钠)不断溶解，从而源源不断地剥离出新鲜的金属(金属铝和/或金属镁)基体表面，促进金属(金属铝和/或金属镁)基体继续反应，抑制了钝化的发生。而加入的膨润土材料是一种具有纳米片层结构的无机材料，其可以作为絮凝剂的核心，促进金属铝和/或金属镁的溶解产物(氢氧化铝和/或氢氧化镁)的絮凝沉淀，防止溶液黏度过大。另一方面，本发明还提供了一种制备改性金属合金材料的方法，该方法包括如下步骤：步骤一、制备粒径小于10微米的无机盐粉体、膨润土粉体；步骤二、将金属材料熔化成金属溶液；步骤三、将步骤一制备的无机盐粉体及膨润土粉体加入步骤二制备的金属溶液中并搅拌均匀，得到改性金属合金混合溶液；步骤四、将步骤三得到的改性金属合金混合溶液倒入型腔模具并冷却至室温，得到改性金属合金材料。氯化钠为白色无臭结晶粉末，熔点801℃，易溶于水；磷酸钠选用无水磷酸钠，其为白色结晶，熔点1340℃，易溶于水。磷酸钠还具有表面活性剂的作用，可以降低水溶液的表面张力。本发明之所以将氯化钠和磷酸钠作为添加无机盐添加至金属基体中，主要是因为氯化钠和磷酸钠具有较高的熔点，在被加入至高温金属溶液后不会被分解。优选的，所述步骤一包括如下子步骤：第一步、采用气流粉粹机分别对大颗粒无机盐、大颗粒膨润土进行粉碎，得到无机盐粉体、膨润土粉体；第二步、采用烘干设备对无机盐粉体、膨润土粉体进行烘干；第三步、对烘干后的无机盐粉体、膨润土粉体过300目筛，得到粒径小于10微米的无机盐粉体、膨润土粉体。优选的，粉碎过程中，所述气流粉粹机的气压为6～10MPa。优选的，烘干过程中，所述烘干设备的烘干温度为120～200℃，烘干时间为1～5小时。另一方面，本发明还提供了改性金属合金材料在制备合金染料电池的阳极方面的应用。研究和试验表明，采用本发明的改性金属合金材料制造的阳极，较传统阳极材料的放电效率提高了5％。通过本发明的改性金属合金材料的晶体结构研究，本发明的改性金属合金材料，无机盐粒子以弥散方式分布在晶界和晶粒体内，其有效提高了材料的硬度和加工性能。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点、能够更加明显易懂，下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。实施例1材料及用量：铝(Al)：94.95g；氯化钠(NaCl)：5g；膨润土：0.05g。制造方法：使用气流粉碎机粉碎对大颗粒的氯化钠、大颗粒膨润土进行粉碎，得到氯化钠粉体及膨润土粉体，粉碎过程中气流粉碎机的气体压力保持6MPa；使用烘干设备烘干对氯化钠粉体及膨润土粉体进行烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为5小时；将烘干后的氯化钠粉体及膨润土粉体分别过300目筛，得到粒径小于10微米的氯化钠粉体及膨润土粉体；将铝加热至710℃，待到其完全熔化后，将氯化钠粉体及膨润土粉体加入铝溶液中并搅拌均匀，得到混合溶液；迅速将混合溶液浇注至型腔模具中并快速冷却至室温，得到改性金属合金材料。实施例2材料及用量：铝(Al)：5g；镁(Mg)：90g；氯化钠(NaCl)：1g；无水磷酸纳(Na3PO4)：3g；膨润土：1g。制造方法：使用气流粉碎机粉碎对大颗粒氯化钠、大颗粒无水磷酸纳、大颗粒膨润土进行粉碎，得到氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体，粉碎过程中气流粉碎机的气体压力保持10MPa；使用烘干设备对氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体、膨润土粉体进行烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为3小时；将烘干后的氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体分别过300目筛，得到粒径小于10微米的氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体；将铝和镁放于同一容器中加热至760℃，待到完全熔化后，将氯化钠粉体、大颗粒无水磷酸纳粉体及膨润土粉体加入至铝、镁合金溶液中并搅拌均匀，得到混合溶液；迅速将混合溶液浇注至型腔模具中并快速冷却至室温，得到改性金属合金材料。实施例3材料及用量：铝(Al)：45g；镁(Mg)：50g；氯化钠(NaCl)：2.25g；无水磷酸纳(Na3PO4)：2.25g；膨润土：0.5g。制造方法：使用气流粉碎机粉碎对大颗粒氯化钠、大颗粒无水磷酸纳、大颗粒膨润土进行粉碎，得到氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体，粉碎过程中气流粉碎机的气体压力保持7MPa；使用烘干设备对氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体、膨润土粉体进行烘干，烘干温度为200℃，烘干时间为2小时；将烘干后的氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体分别过300目筛，得到粒径小于10微米的氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体；将铝和镁放于同一容器中加热至735℃，待到完全熔化后，将氯化钠粉体、无水磷酸纳粉体及膨润土粉体加入至铝、镁合金溶液中并搅拌均匀，得到混合溶液；迅速将混合溶液浇注至型腔模具中并快速冷却至室温，得到改性金属合金材料。实施例4材料及用量：镁(Mg)：85g；无水磷酸纳(Na3PO4)：13g；膨润土：2g。制造方法：使用气流粉碎机粉碎对大颗粒无水磷酸纳、大颗粒膨润土进行粉碎，得到无水磷酸纳粉体及膨润土粉体，粉碎过程中气流粉碎机的气体压力保持6MPa；使用烘干设备对无水磷酸纳粉体、膨润土粉体进行烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为5小时；将烘干后的无水磷酸纳粉体、膨润土粉体分别过300目筛，得到粒径小于10微米的无水磷酸纳粉体、膨润土粉体；将镁加热至710℃，待到其完全熔化后，将无水磷酸纳粉体、膨润土粉体加入至镁溶液中并搅拌均匀，得到混合溶液；迅速将混合溶液浇注至型腔模具中并快速冷却至室温，得到改性金属合金材料。实施例5材料及用量：铝(Al)：98g；氯化钠(NaCl)：1.5g；膨润土：0.5g。制造方法：使用气流粉碎机粉碎对大颗粒氯化钠、大颗粒膨润土进行粉碎，得到氯化钠粉体及膨润土粉体，粉碎过程中气流粉碎机的气体压力保持10MPa；使用烘干设备对氯化钠粉体、膨润土粉体进行烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为3小时；将烘干后的氯化钠粉体、膨润土粉体分别过300目筛，得到粒径小于10微米的氯化钠粉体、膨润土粉体；将铝加热至760℃，待到其完全熔化后，将氯化钠粉体、膨润土粉体加入至铝溶液中并搅拌均匀，得到混合溶液；迅速将混合溶液浇注至型腔模具中并快速冷却至室温，得到改性金属合金材料。实施例6材料及用量：镁(Mg)：98g；氯化钠(NaCl)：1.5g；膨润土：0.5g。制造方法：使用气流粉碎机粉碎对大颗粒氯化钠、大颗粒膨润土进行粉碎，得到氯化钠粉体、膨润土粉体，粉碎过程中气流粉碎机的气体压力保持7MPa；使用烘干设备对氯化钠粉体、膨润土粉体进行烘干，烘干温度为200℃，烘干时间为2小时；将烘干后的氯化钠粉体、膨润土粉体分别过300目筛，得到粒径小于10微米的氯化钠粉体、膨润土粉体；将镁加热至735℃，待到其完全熔化后，将氯化钠粉体、膨润土粉体加入至镁溶液中并搅拌均匀，得到混合溶液；迅速将混合溶液浇注至型腔模具中并快速冷却至室温，得到改性金属合金材料。使用扫描电镜、激光粒度仪分析实施例1至实施例6所制备的改性金属合金材料，从改性金属合金材料的微观形貌图可以观察到，无机盐粒子以弥散方式均匀分布在晶界和晶粒体内。可见，本发明的改性金属合金材料具有较高的硬度和良好的加工硬度。使用本发明的改性金属合金材料制作合金燃料电池的阳极，具有如下显著优点：由于无机盐粒子以弥散方式均匀分布在晶界和晶粒体内，在放电过程中，无机盐(氯化钠和或磷酸钠)不断溶解，源源不断地剥离出新鲜的金属基体表面，有效地防止了金属基体的钝化，提升了合金燃料电池的放电性能。使用恒电位仪分析实施例1至实施例6所制备的改性金属合金材料的电化学性能，较传统的阳极材料(镁和或铝制成的阳极材料)，本发明的改性金属合金材料的放电效率能够提高了5％左右。本发明的各实施例所采用的铝、镁为普通的高纯度铝、镁金属材料。本发明的各实施例所采用的无机盐及膨润土的来源信息如表1所示，所采用的加工设备及测试设备的具体信息如表2所示：表1无机盐及膨润土的来源信息原材料名称等级型号厂家氯化钠分析纯天津盛奥化学试剂有限公司无水磷酸钠分析纯天津盛奥化学试剂有限公司膨润土YH型河南永顺净化材料有限公司表2加工设备及测试设备信息上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。当前第1页1 2 3