氢化化学气相沉积制备纳米镁基材料储氢性能及机理研究

Mg-based hydrogen storage material has been regarded as one of the most potential solid-state metal hydrogen storage materials owing to its high hydrogen density, low cost and abundant resource. However, its poor thermodynamic and kinetic properties restrict the applications. Based on our preliminary studies, a novel Mg-based hydrogen storage nano-material combined with nano-confinement, alloying and multiphase catalysis prepared by the innovative technology of hydriding chemical vapor deposition (HCVD) has been designed in this project. Controllable preparation of Mg-based hydrogen storage nano-material by HCVD will be achieved through composition design and synthesis optimization. The relationship among the composition, preparation, structure, and gaseous and electrochemical hydrogen storage properties of the HCVD product will be investigated systematically. The project aims to reveal the synthesis and hydrogen storage mechanisms of the HCVD product, and demonstrate some basic issues of the HCVD in the research of Mg-based hydrogen storage nano-material. The research and development of novel high performance Mg-based hydrogen storage nano-material will lay theoretical and practical foundation for the use of Mg-based hydrogen storage material as energy carrier.

在固态金属储氢材料体系中，镁基储氢材料因其高储氢密度、价格低廉、资源丰富等优势而成为国内外研究的热点，然而由于其热力学稳定和动力学性能差等因素仍未能实用化。本项目在申请人前期研究基础上，原创性地提出利用氢化化学气相沉积(HCVD)这一新型制备技术，制备集纳米限域、合金化和多相催化三位一体的新型纳米镁基储氢材料体系。通过对材料成份体系的设计及合成工艺优化实现纳米镁基储氢材料的HCVD可控制备；系统而深入地研究材料成份、制备工艺、结构以及气态和电化学储氢性能之间的相互作用和关联机制；揭示HCVD制备纳米镁基储氢材料的合成机理和储氢机理；阐明HCVD这一新型制备技术在纳米镁基储氢材料研究领域的若干基础问题，研制和开发具有我国自主知识产权的新型高性能纳米镁基储氢材料，为加快镁基储氢材料作为能源载体的实用化进程提供理论支撑和实践基础。

镁基氢化物由于具有理论储氢容量大、资源丰富、环境友好以及成本低等优点而成为国内外的研究热点，但其缓慢的动力学和稳定的热力学限制了材料的实际应用，通过构筑纳米镁基合金氢化物可以有效改善其动力学和热力学性能。本项目在申请人前期工作的基础上，提出以氢化化学气相沉积技术（HCVD）制备镁镍基合金氢化物为对象，研究并提出优化的材料体系和成份设计以及HCVD制备工艺参数，寻找适合于制备高活性镁镍基氢化物的沉积基体（碳气凝胶、石墨烯纳米片、碳化镍基络合物和热解Ni基ZIF材料等）和蒸发源（雾化镁粉、切削镁粉和镁镍合金等）。沉积基体材料、合金化温度、氢化温度以及氢化时间对HCVD产物的结构和性能具有显著影响，特别以石墨烯纳米片负载高分散纳米镍为沉积基体，成功制备了表面包覆约3 nm厚MgO薄膜的高分散微胶囊Mg2NiH4单晶纳米颗粒，MgO薄膜有效遏制了空气等对Mg2Ni/Mg2NiH4活性组分的影响，该HCVD产物具有超高的结构稳定性，优异的储氢性能和良好的循环稳定性，其脱氢表观活化能仅为31.2 kJ/mol，阐明了该HCVD产物的合成机理和吸/放氢过程中微胶囊结构/半中空结构的演变机理，增强了通过特殊气固反应制备高分散高稳定性纳米金属氢化物的认知。以碳化镍基络合物得到的碳载镍为沉积基体制备的Mg2NiH4具有优异的脱氢动力学，30 s内的有效脱氢量为2.3 wt.%。多壁碳纳米管负载镍的HCVD产物首次放电容量提升至196 mAh/g。此外，还研究了镍基负载型催化剂改善MgH2储氢性能，揭示了催化剂的形貌和尺寸对MgH2储氢性能的影响机制。上述研究结果对于高活性镁基氢化物的研究与开发具有重要的参考价值。