纳米氧化物催化剂的晶体结构及光谱特征对Mg基合金储氢性能影响研究

Mg-based alloys is generally considered as one of the most promising candidate hydrogen storage alloys for the high hydrogen storage properties and the abundant resources in the earth’s crust. However, the urgent problem needs to be solved is how to improve the kinetics of hydrogen absorption / desorption, and adding catalysts is one of the simple and convenient control method. A wide range of catalysts have been used and showed different catalysis properties. But so far, there have still been no common opinion about the catalytic mechanism. Recent studies showed that the catalytic performances are relevant to the electronic structure or the lattice vacancies of catalysts. In order to investigate the catalytic mechanism from the point of microscopic electronic structure, in this project, we will take the nanosized transitional metal oxides and CeO2 based doped solid solutions as the catalysts and study the catalysis behaviors of them on the Mg2-xRExNi alloys. The Mg-based composites will be obtained by means of ball milling and in-situ synthesized method, respectively. The catalysis effects of single catalyst or synergism of multi-catalysts will be researched systematically. The influences of microscopic crystal structures, lattice vacancies, electronic structure characteristics of the nanoparticles on the catalytic effects will be explored by fitting the crystalline structure and spectrum measurement. Furthermore, the catalytic mechanism will be proposed from the microscopic level, which could provide the theory basis for the extensive applications of catalysts to the Mg based alloys.

Mg基合金由于具有储氢容量高及在地球上的资源储量丰富等特点而成为未来最具发展潜力的储氢合金之一，但当前迫切需要解决的问题是如何提高Mg合金的吸放氢动力学，其中添加催化剂是一种简便有效的调控方式。目前所选用的催化剂种类繁多，催化性能各异，但对于催化机理却一直众说纷纭。近期的研究表明，催化性能与催化剂的电子结构特性及晶格空位等因素有密切联系。为了从微观电子结构的角度考察催化机理，项目选取纳米过渡金属氧化物及CeO2基掺杂固溶体作为催化剂，研究其对Mg2-xRExNi合金的催化行为。将分别采用球磨包覆及原位合成包覆法制备Mg基复合材料，系统研究单催化及多种催化剂协同催化效应。通过晶体结构拟合及光谱测试手段，探索纳米催化剂的微观晶体结构、晶格空位浓度及电子结构特性等因素对催化效果的影响，进而从微观层面上提出催化机理，为纳米催化剂在Mg基合金中的广泛应用提供理论基础。

Mg基合金由于具有储氢容量高，资源储量丰富等特点而成为未来最具发展潜力的一类储氢合金。但如何有效提高这类合金的吸放氢动力学及循环稳定性等性能，是实现其实用化的关键。在众多的改善措施中，向合金中添加不同类型的催化剂是一种简便有效的调控方式。本项目研究中，我们首先选取了不同的稀土氧化物（CeO2、La2O3、Eu2O3）作为Mg基合金的催化剂，发现催化剂的活性主要与其自身的化学性质及微观结构等因素有关；为深化研究，我们继续采用多种化学法制备一系列不同掺杂离子、不同掺杂浓度的纳米Ce1-x(Fe0.5Eu0.5)xO2-δ固溶体、Ce1-x(Nd0.5Eu0.5)xO2-δ固溶体、Ce1-x(Cu0.5Zn0.5)xO2-δ固溶体和CeO2-xNx固溶体等掺杂CeO2基固溶体，以及不同纳米颗粒尺寸的CuO等过渡金属氧化物。利用高能球磨法将催化剂与Mg基合金复合，探索不同纳米氧化物催化剂对Mg基合金的催化行为。研究发现，这几类纳米氧化物催化剂均可有效提高Mg基合金的气态或电化学储氢性能，包括可降低合金的吸放氢温度、提高合金的吸放氢容量及电化学放电容量、优化合金的动力学性能，改变合金的放氢活化能等。在探索催化机理方面，将催化剂的催化性能与纳米氧化物催化剂的微观结构及光谱特征等性能特征进行充分结合，发现催化性能主要与纳米催化剂的晶粒尺寸、晶格缺陷浓度及电子结构特性等因素有关，进而提出了催化机理。上述研究成果对于推动Mg基高容量储氢材料的发展具有重要的理论和实际意义，为纳米催化剂在Mg基合金中的广泛应用提供了理论基础。