改性多孔碳材料对MgH2和Li-Mg-B-H体系储氢性能的影响及机理

The lightweight hydrogen storage material of MgH2 and Li-Mg-B-H system are regarded as very promising hydrogen storage systems with high value of practical application. Currently, the high temperature of reversible hydrogen absorption/dehydrogenation and the poor kinetics of hydrogen absorption/dehydrogenation of the system are the main problems. Therefore, this project puts forward the synthesis method of nano porous carbon materials by carbonizing the precursor or template, modifying treatment process by loading metal sulfide and fluoride, and the nano composite processing of the modifying porous carbon materials with MgH2 and Li-Mg-B-H system. Using the surface diffusion bring from the micropore or mesoporous structure of the porous carbon materials, and catalytic and synergetic effects of metal sulfide or fluoride, the hydrogen storage performance of MgH2 and Li-Mg-B-H system can be greatly improved. The relationship between the modified carbon material microstructure and the performance of Mg-based composites is studied, and the effect mechanism of the modified carbon material on de/hydrogenation properties of MgH2 and Li-Mg-B-H system is revealed. The work provides theoretical guidance to the practical application of MgH2 and Li-Mg-B-H system.

作为轻质储氢材料的MgH2及其构成的Li-Mg-B-H体系被认为是很具实际应用潜力的储氢体系。目前，存在的主要问题是材料的可逆吸放氢温度较高和吸放氢动力学性能较差。为此，本项目提出以有机前驱体碳化或模版法合成纳米多孔碳材料，并通过负载金属硫化物和氟化物对其改性处理，将所合成的改性多孔碳材料与MgH2及Li-Mg-B-H体系进行纳米化复合处理，利用改性多孔碳材料的微孔或介孔结构所带来的表面扩散作用以及金属硫化物或氟化物的催化作用的协同效应，大幅度改善MgH2和Li-Mg-B-H体系的储氢性能。研究改性多孔碳材料的微观结构与镁基复合材料性能的关系，揭示改性多孔碳材料在MgH2和Li-Mg-B-H体系吸/放氢过程中的作用机理，为促进其实际应用提供理论指导。

MgH2和Li-Mg-B-H具有储氢量高，且资源丰富，价格低廉等优势，在储氢材料研究领域被认为是具有发展前景的储氢材料体系。然而这两类材料的氢化物稳定性高，需要在高温下才能放出氢气，且体系放氢速率缓慢。为了解决这些问题，需要寻找可以降低氢化物稳定性及加速吸放氢反应的添加剂材料。改性碳材料一方面可以为MgH2和Li-Mg-B-H体系吸放氢提供活性位点，加速吸放氢反应速率；另一方面还可以作为氢化物的高效分散剂，减小氢化物尺寸，一定程度上降低氢化物稳定性。.本项目通过水热、高温焙烧、化学还原等方法制备了碳化淀粉(CS)、零维碳球材(HCS、CA)、过渡金属或合金（Ni、FeNi3、FeNi等）改性碳球、g-C3N4及其过渡金属改性材料、氟化石墨、反钙钛矿碳材料与2-甲基萘碳化物等改性碳材料。然后通过球磨、氢化燃烧等手段将改性碳材料与MgH2或者Li-Mg-B-H等材料复合，制备得到复合储氢材料，测试了复合储氢材料的性能，并通过相结构、形貌等的演变揭示了材料的储氢机制。研究表明，上述MgH2复合体系与Li-Mg-B-H复合体系中改性碳材料均有助于降低氢化物体系的稳定性，在一定程度上降低了氢化物放氢的温度；同时，添加剂与镁基储氢材料复合过程中原位生成的Mg2NiH4、Fe等具有显著的催化作用，而碳材料对镁基储氢材料具有显著的分散作用，既增加了活性位点，又缩短了氢扩散距离，因此提高了复合体系的吸放氢速率。通过本项目的研究，获得了储氢容量大于5 wt.%，且吸放氢速度快的复合储氢材料。本项目的研究结果既丰富了镁基储氢材料研究的理论内容，又推动了镁基储氢材料向温和条件储氢与快速吸放氢方向发展。