纳米五氟化钕催化RE‑Mg‑Ti‑V‑Ni‑Al‑Co基贮氢合金及制备方法与流程

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本发明涉及储氢材料技术领域，具体涉及一种纳米ndf5催化的re-mg-ti-v-ni-al-co基贮氢合金及其制备方法。

背景技术：

目前，燃料电池驱动汽车受到了国内外的高度关注；然而，作为氢燃料载体的贮氢材料的容量偏低而使其应用受到了极大的限制。镁基合金由于贮氢密度高及资源极为丰富等特点，被公认为是最具潜力的贮氢材料。特别是cemg12型镁基合金的贮氢容量大于6wt％，就其容量而言，完全满足燃料电池汽车对贮氢容量的要求。然而，传统工艺制备的多晶cemg12型合金在室温下几乎没有可逆吸放氢的能力，因此，降低合金氢化物的热稳定性并提高合金吸放氢的动力学性能已成为研究者面临的严峻挑战。

基于此，研究一种新型的具有高的吸放氢能力以及优异吸放氢动力学性能的贮氢合金尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种纳米ndf5催化的re-mg-ti-v-ni-al-co基贮氢合金及其制备方法。本发明提供的贮氢合金作为一种具有高贮氢容量和良好的吸附氢动力学性能的纳米晶-非晶贮氢合金，显著改善了合金的气态贮氢性能。

为此，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种贮氢合金，贮氢合金包括第一组分，且第一组分的化学式为ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm；其中，x、y、z、m为原子比，0<x<0.5，0.3<y<2，0.1<z<1，0<m≤0.5；re包括稀土元素镧、钕、钇、镨和钆中的至少一种。

在本发明的进一步实施方式中，贮氢合金还包括第二组分，第二组分的化学式为co，即金属钴粉；co的质量占ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm合金质量的50％，即贮氢合金的化学式为ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm+50(wt)％co。

在本发明的进一步实施方式中，贮氢合金还包括第三组分，第三组分的化学式为nbf5；nbf5的质量占ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm合金质量的2％～8％，即贮氢合金的化学式为ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm+50(wt)％co+n(wt)％nbf5，n为nbf5占ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm的质量百分比。

在本发明的进一步实施方式中，贮氢合金中，x＝0.4，y＝1.2，z＝0.5，m＝0.3，n＝5。

在本发明的进一步实施方式中，co选用粒度为150目～200目的钴粉，催化剂nbf5的粒径为1nm～100nm。

第二方面，本发明提供一种燃料电池用贮氢合金的制备方法，包括如下步骤：s101：按化学式ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm进行配料，之后加热并得到熔融的ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm合金；s102：将熔融的合金浇注到水冷铜模中，获得铸态母合金铸锭；s103：将母合金铸锭置于底部具有狭缝的石英管内，然后加热母合金铸锭至熔融状态，再利用保护气体的压力将其从石英管狭缝喷出，落在以35m/s～45m/s的线速度旋转的铜辊的表面，得到快淬合金薄带ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm；s104：将快淬合金薄带机械破碎并过180目～200目筛，之后与粒度为200目的钴粉以2：1的质量比混合后装入不锈钢球磨罐中，将球磨罐抽真空后充入高纯氩气，在全方位行星式高能球磨机中进行球磨；s105：将s104得到的产物与纳米nbf5催化剂混合，之后球磨，得到贮氢合金。具体地，在步骤s101的配料过程中，化学式组成中的镁、铈和稀土在配比时增加5％～10％的烧损量，且各金属原材料的纯度均为≥99.8％。

在本发明的进一步实施方式中，s101中，加热的条件为：抽真空至1×10^-2pa～5×10^-5pa，之后通入0.01mpa～1mpa的惰性气体作为保护气体，然后加热到1300℃～1500℃，并保温5min～10min；且加热的方式为感应加热法，当然，选用其他加热方式如电弧熔炼等也是可以的。

在本发明的进一步实施方式中，s104和s105中，球磨的条件均为：球料比为1：40，转速为300rpm～400rpm，且球磨在球磨罐中进行；s104中的球磨时间为20h～50h(去除停机时间)，s105中的球磨时间为2.5h～3.5h。

在本发明的进一步实施方式中，s104中，进行球磨时，每球磨3h停机1h。

第三方面，本发明提供的贮氢合金在制备燃料电池方面的应用。

本发明提供的上述技术方案具有以下优点：

(1)申请人经过大量研究发现：本发明提供的贮氢合金显著改善了合金的气态贮氢性能，其是一种具有高贮氢容量和优异吸附氢动力学性能的纳米晶-非晶贮氢合金。

(2)本发明的优点在于：在cemg12型合金中添加多元稀土、钛、钒、镍及铝，提高合金的非晶形成能力，通过快淬工艺获得具有纳米晶-非晶结构的快淬合金薄带，进而使制备得到的贮氢合金表现出更高的稳定性；之后在破碎的快淬合金薄带中混入质量比为2：1的钴粉，经高能球磨使得合金颗粒的表面产生大量的晶体缺陷，从而使合金的表面活性进一步增加，进而提高合金的气态贮氢容量及吸放氢动力学性能；然后添加微量纳米nbf5催化剂，降低合金吸放氢的活化能，使本发明的贮氢合金在较低的温度下具有高的吸放氢能力，从而进一步提升合金的气态贮氢容量及吸放氢动力学。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例1铸态母合金铸锭的微观形貌图；

图2为本发明实施例1快淬态合金薄带的示意图；

图3为本发明实施例1贮氢合金的形貌图；

图4为本发明各实施例贮氢合金的xrd衍射谱图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。

以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。

本发明提供一种贮氢合金，贮氢合金包括第一组分，第一组分的化学式为ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm；其中，x、y、z、m为原子比，0<x<0.5，0.3<y<2，0.1<z<1，0<m≤0.5；re包括稀土元素镧、钕、钇、镨和钆中的至少一种。

优选地，还包括第二组分co；co的质量占ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm合金质量的50％，即贮氢合金的化学式为ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm+50(wt)％co。其中，co选用粒度为150目～200目的钴粉。

优选地，还包括第三组分催化剂nbf5；nbf5的质量占ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm合金质量的2％～8％，即贮氢合金的化学式为ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm+50(wt)％co+n(wt)％nbf5。其中，催化剂nbf5的粒径为1nm～100nm。

另外，本发明专门设计了制备贮氢合金的方法，包括以下步骤：

s101：按化学式ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm进行配料，之后加热并得到熔融的ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm合金。其中，加热的条件为：抽真空至1×10^-2pa～5×10^-5pa，之后通入0.01mpa～1mpa的惰性气体作为保护气体，然后在温度为640℃～700℃的条件下加热，保温5min～10min，之后在温度为1300℃～1700℃的条件下加热，并保温5min～10min；且加热的方式为感应加热法。

s102：将熔融的合金浇注到铜模中，获得铸态母合金铸锭。

s103：将母合金铸锭置于底部具有狭缝的石英管内，然后加热母合金铸锭至熔融状态，再利用保护气体的压力将其从石英管狭缝喷出，落在以35m/s～45m/s的线速度旋转的铜辊的表面，得到快淬合金薄带ce1-xrexmg12-y-ztiyvzni1-malm。

s104：将快淬合金薄带机械破碎并过180目～200目筛，之后与粒度为200目的钴粉以2：1的质量比混合后在氩气氛围中进行球磨。其中，球磨的条件均为：球料比为1：40，转速为300rpm～400rpm，且球磨在球磨罐中进行，且每球磨3h停机1h，去除停机时间后，s104的球磨时间为20h～50h。

s105：将s104得到的产物与nbf5催化剂混合，之后球磨，得到贮氢合金。其中，球磨的条件均为：球料比为1：40，转速为300rpm～400rpm，且球磨在球磨罐中进行，s105的球磨时间为2.5h～3.5h。

下面结合具体实施方式进行说明：

实施例一

本发明提供一种贮氢合金，化学式组成为ce0.6y0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3+50(wt)％co+5(wt)％nbf5；其中，选用粒度为200目的钴粉，且co的质量占所述ce0.6y0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3合金质量的50％；nbf5的质量占所述ce0.6y0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3合金质量的5％。

采用本发明提供的制备方法，制备本实施例的贮氢合金，包括如下步骤：

s101：选取块体稀土金属铈及钇，金属镁、金属钛、金属钒、金属镍及铝；各金属的纯度均≥99.8％，按化学剂量比称重：熔炼炉坩埚容量约为2公斤，配料按每炉2公斤计算，即称取金属铈334.9g、金属钇141.6g、金属镁997.2g、金属钛228.8g、金属钒101.4g、金属镍163.6g、金属铝32.2g。将称取的金属置于中频感应炉的氧化镁坩埚中，然后盖好炉盖，抽真空大约40分钟至真空度5×10^-3pa以上，之后通入0.04mpa的氦气作为保护气体，调节功率为5kw，温度为700℃，使金属镁熔化；然后调节功率25kw，温度控制在1600℃，使所有金属熔化，金属熔化完毕后保持5分钟，得到熔融的ce0.6y0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3合金。

s102：将熔融的合金浇注到铜模中，在注入锭模时，将功率调节到8.5kw。在氦气保护气氛下冷却20min后出炉，获得铸态母合金铸锭，其微观形貌如图1所示。

s103：将母合金铸锭约200g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中，狭缝的尺寸为0.05mm×20mm(狭缝长度可根据需要增加或者减小)；用245khz的射频加热至熔融，氦气气氛保护下，加热功率为1kw；在1.05atm氦气压力下通过石英管底部狭缝喷口将熔融合金喷射到表面线速度为40m/s的水冷铜辊表面上，获得快淬态合金薄带ce0.6y0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3，如图2所示。

s104：将快淬合金薄带ce0.6y0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3机械破碎并过200目筛，称过筛合金粉末50克与粒度为200目的钴粉25克混合装入不锈钢球磨罐中，抽真空并充入高纯氩气后密封，在全方位行星式高能球磨机中在球料比为1：40，转速为350rpm的条件下球磨20小时(去除了停机时间)，且每球磨3小时停机1小时。其中，球磨的条件均为：球料比为1：40，转速为350rpm。

s105：将s104得到的产物与纳米nbf52.5g(5wt％)混合，之后继续在球料比为1：40，转速为350rpm的条件下球磨3h，得到贮氢合金。用高分辨透射电镜观察球磨粉末的形貌，并用选区电子衍射(saed)分析球磨粉末的晶态，发现球磨合金具有纳米金-非晶结构，结果见图3。

实施例二

本发明提供一种贮氢合金，化学式组成为ce0.6nd0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3+50(wt)％co+3(wt)％nbf5；其中，选用粒度为200目的钴粉，且co的质量占所述ce0.6nd0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3合金质量的50％；nbf5的质量占所述ce0.6nd0.4mg10.3ti1.2v0.5ni0.7al0.3合金质量的3％。