低溫球磨制備鎂基儲氫材料及其性能研究

于焱

摘要：鎂基儲氫材料在目前屬于最有潛力的金屬氫化物儲氫材料，具有價格低廉、資源豐富等眾多的優點。另外，低溫球磨技術制備的鎂基儲氫材料，不但制備的時間短，性能也很好，低溫球磨技術可以用于研制具有催化特性的鎂基儲氫材料。

關鍵詞：低溫球磨；鎂基儲氫；低溫球磨；材料性能

中圖分類號：TG139 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0065-02

鎂基儲氫復合材料雖然是近幾年才興起的，卻因為有著價格低、質量高的優點而被廣泛的應用。很多的研究者在這一領域做了初步的研究，還獲得了一些具有實際應用價值的復合材料，但是大量的工作還有待深入研究。

1 低溫球磨制備鎂基儲氫材料

在很多的儲氫材料中，金屬鎂資源豐富、密度很小，而且儲氫的密度大，目前是最有潛力的儲氫材料之一。但是鎂的顆粒表面容易形成細密的氧化膜，并且難以活化，而且吸收氫和放氫的速度很慢，為了改善這一缺點，必須使鎂顆粒細小化。球磨法是最基本的方法之一。

低溫球磨也被稱為是低溫機械合金化，它是一種高能球磨技術，在低溫的環境下進行球磨，可以增加材料的脆性，提高材料的性能。因為鎂的硬度很小、塑性大、熔點低，因此在低溫球磨制備的過程當中，物料很容易在球磨的底部和球磨發生沖突。所以，我們只能夠采用球磨強度較低的工具，將鎂細小化的過程需要十個小時左右，催化劑也必須均勻地分布在鎂的表面上，這樣才能更好地吸氫和放氫。

2 鎂基儲氫材料

2.1 鎂基儲氫材料的概況

氫氣可以直接與鎂反應，它的理論含氫量可以達到8%左右，性能也相對較穩定。因為純鎂吸氫和放氫的速率都很慢，而且放氫的溫度很高，所以人們可以利用合金化或者制成復合材料的辦法來改善鎂的吸放氫性能。鎂基儲氫材料又可以被分為兩種：一種是鎂基復合材料，一種是鎂基合金體系。

鎂基儲氫材料最早是出現在美國，美國人首先以鎂和鎳混合熔煉而形成合金，這種合金能夠在高溫下和氫反應，生成Mg2NiH4，其吸氫量為3.6%左右。從研究鎂基儲氫材料開始至今，鎂基儲氫材料的種類大約已經有接近千余種。因為合金元素的組成有所不同，而且制備的方法也不同，所以導致了各種鎂基儲氫材料的吸氫、儲氫容量有一些差別。

2.2 結構和外貌

經過低溫球磨制備之后，鎂基儲氫材料中還存在一定的Mg相、Ni相、La相和一些合金相等，但低溫球磨技術的合金化效果并不太好。經過低溫球磨之后，粉末的顆粒得到了一定的細化，顆粒的直徑大約縮小了一半，因此從中可以看出其細化的效果很好。

3 低溫球磨制備鎂基儲氫材料的性能

3.1 動力學性能

動力學性能能夠對鎂基儲氫材料的運用造成很大的影響，鎂基儲氫材料在4.0兆帕氫壓和不同的溫度下，經過低溫球磨制備之后，鎂基儲氫材料的動力學性能得到了一定的提高。溫度不斷的升高，鎂基儲氫材料的吸收速度也在加快，吸收的氫量也在隨之而增加。在4.0兆帕氫壓和500～700K的溫度之下，在五分鐘左右就可以吸收氫達到大約90%左右。常溫球磨所制備的鎂基儲氫材料雖然也能夠達到同樣的動力學性能，但是球磨的時間卻很長，比之前的時間要多到7～8倍左右。另外，常溫球磨制備的材料則需要十分鐘才能夠達到其飽和值的70%左右，因此，低溫球磨技術制備的材料具有比較高的動力學性能。

其動力學性能被提高的主要因素是材料中有很多相似的結構，在球磨的過程中形成了復合產物，并且還能對一些材料的吸氫起到催化的作用。進行球磨的整個過程中，低溫狀態提高球磨的效率，而且強化其性能，通過一段較短的時間，就能夠細化晶粒，產生相界面，制備出符合要求的鎂基儲氫材料。

3.2 熱力學性能

球磨大約十小時以后，鎂基儲氫材料的儲氫量在300℃的時候為3%左右，隨著溫度不斷的升高，其吸氫的量也開始慢慢提高，而且放氫也放得特別多。與此同時，利用低溫球磨制備技術制備的鎂基儲氫材料不需要經過另外的處理，就能夠直接進入測試，并且其材料的性能還非常的好。與其他的制備方式相比較，低溫球磨技術只需要很短的時間，就能夠制備出性能優良的鎂基儲氫材料。

從上面可以看出，用低溫磨球技術制備的鎂基儲氫材料，其性能良好，還可以用于研究制備一些具有催化性質的鎂基儲氫材料。

3.3 放氫動力學

實際的放氫動力學曲線會隨著顆粒尺寸的變化趨勢與理論計算的變化趨勢而一致，也就是說，顆粒尺寸越小，放氫所用的時間就越短。比如有兩個實驗：一個是顆粒尺寸為2.0左右，在接近600s的時間內完成了放氫；另一個是顆粒尺寸為1.0左右的鎂基儲氫材料，在大約500s的時間內完成了放氫。造成實際的放氫動力學性能和理論計算結果產生差異的原因，除了尺寸顆粒不一致外，還有幾個原因：第一是因為氧化因素和總的放氫速度常數是一個變量，第二則是因為放氫過程與吸氫過程的不同點——放氫需要吸收熱量。所以，穩定的傳熱是保證其放氫動力學的一個很重要的原因。

3.4 鎂基儲氫材料的催化

當放氫的溫度達到了一定的程度，在其中加入鋁，會使得鎂基儲氫材料的性能得到進一步的提高，因為鋁的延展性很好，很容易就固熔到鎂顆粒的表面。同時，在吸氫的時候，鋁能夠分解氫氣分子，在放氫的時候，則有對氫原子進行催化的作用。

4 鎂基材料的應用前景

鎂基復合材料因為自身的密度較小，而且比鎂合金具有更高的比強度、比剛度、耐磨性和耐高溫性，受到航空、航天、汽車、工業、機械、電子等領域的重視和廣泛應用。自20世紀80年代至今，鎂基復合材料已經成為了金屬基復合材料的研究熱點之一。在鎂基復合材料當中，顆粒增強鎂基復合材料與連續纖維增強、非連續性纖維增強鎂基復合材料相比較，具有很多的優點，比如制備工藝簡單、價格低廉、較易成型、易加工等。除此之外，也是目前最有可能顯示低成本、規模化商業生產的鎂基復合材料。

5 總結與體會

儲氫材料是一種極受歡迎的功能材料，并且在能源領域中具有不可替代的重要作用，它的前景十分的廣泛。近幾年來，世界各國都在投入人力、物力及技術資源，對其進行研究和分析。用低溫球磨技術來進行制備，不但提高了它的性能，還增加了吸氫的量，低溫球磨技術制備的儲氫材料不但活化性能高，動力學性能也很高，也因此，低溫球磨制備鎂基儲氫材料得到了廣泛的運用。

參考文獻

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