轻金属掺杂纳米Mg材料的制备及储氢性能研究

金属基储氢材料是储氢材料研究中的一个重要方向。金属镁储氢材料以其储量高(7.6wt.%)、成本低及循环性能好等特点成为发展高性能金属基储氢材料的理想选择。现存在的主要问题是吸放氢温度高以及动力学性能差等，而解决这些问题的有效途径是纳米化和催化。本课题拟打算以纳米镁材料为研究对象，研究轻金属元素（Ca、Li）掺杂对其储氢性能的影响规律，以期获得一种提高其储氢性能的新途径。研究内容包括轻金属掺杂纳米镁的制备、微观组织结构表征、储氢性能测试以及储氢机制研究等。通过研究获取轻金属掺杂纳米镁的制备技术，弄清轻金属掺杂的机制以及对储氢性能的影响规律，达到提高其储氢性能的目的。这些结果对于揭示纳米镁吸放氢本质、开拓新的研究方向、促进金属镁储氢材料在氢燃料汽车以及其他领域的应用起到积极的作用，具有重要的理论和实际意义。

金属镁以其优异的储氢量（7.6wt%）、低廉的价格以及丰富的地表储量，成为最有潜力的固体储氢材料之一。但是块体金属镁过高吸放氢温度和极差的吸放氢动力学严重阻碍了其实际应用。纳米化被认为是一种非常有效的改善镁储氢性能的方法，其不仅大大地提高了镁的吸放氢动力学，而且能够在一定程度上降低镁的吸放氢温度。然而，如何制备纳米级别的金属镁成为解决这一问题的关键。为此，本课题开发了新的制备纳米镁的方法，成功制备出了三种不同形态和尺寸的镁纳米结构，在此基础上提出了相应的生长机理和模型。这对推动纳米金属材料的研究具有重要的理论和实际意义。.首先，研究了惰性气体冷凝法制备镁纳米颗粒的工艺及机理。结果显示，在氩气气流及500-700°C蒸发温度下，在水冷基底上能够制备出直径为10~50nm的镁纳米颗粒，并且，蒸发温度、沉积位置、真空度对镁纳米颗粒形成有显著的影响。其次，研究了物理气相沉积法（PVD）制备镁纳米线的工艺及机理。结果显示，在高真空及430-450 °C蒸发温度下，在距离蒸发源5.5-8cm的不锈钢网基底上制备出了直径约75nm，长度约1.25μm的镁纳米线。蒸发温度、沉积位置、真空度、镁蒸气浓度、沉积时间、蒸气流方向和基底类型对镁纳米线形成有显著的影响。以此为基础，提出了镁纳米线的形成机制。再次，探索了利用物理气相沉积法制备纳米多孔镁的工艺及机理。结果显示，在高真空度及470-490 °C蒸发温度下，以竖直蒸发沉积的方式及距离蒸发源10-11cm的高度制备出纳米多孔镁。同时发现蒸发温度和沉积位置对纳米多孔镁的形成有显著影响。关于纳米多孔镁的形成机理，初步认为其形成机理可能与空位辅助或镁的择优生长机制有关。第四，探索了对纳米镁进行Sn、Zn、Ca等元素掺杂的试验研究。结果表明，Mg与Sn蒸发共沉积未能取得掺杂的效果。Mg与Zn的共沉积得到的多为MgZn2微米颗粒以及单质Zn的纳米线。Mg和CaH2利用惰性气体冷凝法进行掺杂初步取得成效，制备得到了Ca元素掺杂的镁纳米颗粒。第五，本课题对镁纳米线进行吸氢行为的研究。结果表明，吸氢后镁纳米线的表面出现了许多的小颗粒，随着温度升高，镁纳米线的表面的颗粒变得密集。除此以外，本课题还进行了含B、N、Fe和P碳纳米管的TEM表征和利用Mg或CaH2做还原剂在氢气气氛下还原TiO2制备Ti等探索性研究。