纳米氧化物催化剂包覆储氢合金复合材料的原位合成法

摘要

本发明涉及一种纳米氧化物催化剂包覆储氢合金复合材料的原位合成法。纳米氧化物催化剂包覆储氢合金复合材料中，储氢合金选用La

说明书

技术领域

本发明涉及储氢材料技术领域，具体涉及一种纳米氧化物催化剂包覆储氢合金复合材料的原位合成法。

背景技术

近年来，基于储氢合金在储氢方面安全、高效的特点，其被认为是未来绿色能源材料的希望。储氢合金的应用领域主要包括燃料电池的氢燃料载体以及镍氢电池的负极材料。目前，AB₅型混合稀土系储氢合金作为镍氢电池的负极材料已经实现工业化，但其容量较低(极限值为372mAh/g)，无法满足人们对高容量电池的要求。

La-Mg-Ni型储氢合金具有放电容量高、成本低廉的优势，但该类储氢合金存在易被腐蚀、循环寿命较差等缺点，成为该类合金开展实际应用的瓶颈。此外，对于少数含有催化剂添加剂的储氢合金材料，因催化剂被包覆于合金内部，或者催化剂容易发生团聚而无法均匀包覆于合金表面，从而导致催化剂的催化活性降低，不能满足要求。

基于此，开发一种容量高、寿命长、易活化的新型储氢合金迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种纳米氧化物催化剂包覆储氢合金复合材料的原位合成法。采用本发明提供的原料组成以及制备方法，将催化剂合成与包覆过程同步进行，可以将催化剂以纳米薄层形式均匀稳固地包覆于合金表面；与此同时，催化剂前驱体环境可对合金进行表面处理，进而显著提高储氢复合材料的循环稳定性及动力学性能，从而满足高容量电池的需求。

为此，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种纳米氧化物包覆储氢合金复合材料，复合材料包括储氢合金和纳米氧化物催化剂；储氢合金选用La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.0-a-bM_1aM_2b型储氢合金；纳米氧化物催化剂选用稀土氧化物和/或过渡金属氧化物；其中，x，y，a和b均为原子比，且0<x<0.2，0<y<0.6，a+b<1。

优选地，复合材料的化学式为La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.0-a-bM_1aM_2b+Q>n；其中，MO_n代表纳米氧化物催化剂，Q为纳米氧化物催化剂占储氢合金的质量百分含量，且0<Q<30；MO_n中，M的化合价为+2n，n为原子比，且n＝1，3/2，4/3或2。

优选地，储氢合金中，RE(稀土)选用La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Y和Sc中的一种或多种，M₁和M₂选用主族和/或过渡金属元素，且尤其是选用Ti，V，Mn，Fe，Co，Cu，Zn，Al和Si中的一种或多种。纳米氧化物催化剂中，稀土氧化物催化剂选用CeO₂及其掺杂固溶体，La₂O₃，Pr₂O₃，Eu₂O₃和Sm₂O₃中的一种或多种，过渡金属氧化物催化剂选用Fe₂O₃，Co₂O₃，NiO，ZnO，CuO，Cr₂O₃，Mn₂O₃和MnO₂中的一种或多种。

第二方面，本发明提供一种纳米氧化物包覆储氢合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：S101：按照化学组成La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.5-a-bM_1aM2_b进行配料，之后熔炼，获得铸态合金锭后粉碎，且优选粉碎至粒度小于300目，得到储氢合金粉。S102：配制纳米氧化物催化剂的盐溶液和/或有机溶剂；S103：按照复合材料的化学组成，量取前驱体溶液，之后加入表面活性剂和/或高分子化合物，然后加入储氢合金粉并搅拌均匀；S104：在S103得到的产物中滴加矿化剂，直至形成前驱体悬浊液；S105：将前驱体悬浊液充分搅拌，之后进行磁力搅拌溶剂热反应；然后将反应后的产物经冷却、洗涤、过滤以及真空干燥处理，制得复合材料。

优选地，S102中，前驱体溶液包括盐溶液和/或有机溶剂；盐溶液为可溶性盐溶液，且具体包括硝酸盐、氯化盐或硫酸盐，盐溶液的浓度为0.1～1mol/L；有机溶剂选用惰性有机溶剂，且具体包括乙醇、丙酮或冰醋酸。

优选地，S103中，表面活性剂和/或高分子化合物包括柠檬酸盐、聚吡咯、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮。添加上述表面活性剂或高分子化合物的目的，一方面在于控制催化剂的形貌，进而提高纳米氧化物催化剂的催化性能；另一方面，高分子化合物可对储氢合金表面进行有效修饰，从而提高合金的抗腐蚀等性能。

优选地，S104中，矿化剂选用有机碱和/或无机碱，且矿化剂的加入量为：调节前驱体悬浊液的pH值为9～14；以防止溶剂热反应过程因消耗氢氧根而低于阳离子沉淀所需浓度。

优选地，S105中，磁力搅拌溶剂热反应具体包括：将搅拌预设时间后的产物移入高压磁力反应釜内，在惰性保护气体条件下，按照设定的升温程序和反应时间，于特定压力下进行反应。具体地，反应温度为90～200℃，反应时间为5～24h；于溶剂热过程中进行持续磁力搅拌，可使氧化物催化剂以薄层形式均匀附着在合金表面，通入惰性保护气体可以保证反应釜内的压力恒定。

优选地，S105中，采用惰性液体进行洗涤，且惰性液体包括乙醇或乙醚。

本发明提供的上述技术方案具有以下优点：

(1)申请人经过大量研究发现：采用本发明提供的原料组成以及制备方法，将催化剂合成与包覆过程同步进行，可以将催化剂以纳米薄层形式均匀稳固地包覆于合金表面；与此同时，催化剂前驱体环境可对合金进行表面处理，进而显著提高储氢复合材料的循环稳定性及动力学性能，从而满足高容量电池的需求。

(2)本发明提供的技术方案中，通过在储氢合金中添加纳米氧化物催化剂，可以有效提高合金性能，改善合金的充放电效率及高温放电效率，提高储氢合金的循环稳定性。

(3)采用本发明提供的制备方法，即原位合成法制备特定形貌的纳米氧化物包覆储氢合金复合材料，在溶剂热条件下，于表面活性剂的作用下进行制备，不仅可有效控制催化剂形貌特征，而且可对合金表面进行同步修饰，使催化剂的生成及包覆反应同时进行，催化剂以储氢合金为结晶附着点，在此基础上形成氧化物纳米晶，通过控制不同的反应温度及时间，可以调节催化剂的添加量；从而使得最终制备得到的复合材料中，催化剂均匀牢固地包覆在合金表面，进而使得复合材料的电化学循环稳定性及动力学性能得到明显提高。

(4)本发明首次提出将催化剂的合成与包覆反应同步进行，在溶剂热环境下，纳米氧化物催化剂在结晶过程中将以储氢合金粉末为晶核附着点，在此基础上反应长大得到氧化物纳米晶；因此催化剂可均匀牢固的包覆在合金表面，从而在根本上解决以上问题；通过本发明方法制备得到的复合材料具有循环稳定性显著提高，动力学性能得到有效改善等优点。反观传统制备方法中，以球磨混合方式添加催化剂，该法使催化剂可能被包裹于合金内部，或无法均匀覆盖在合金表面，催化剂容易发生团聚或易脱落等缺点，进而导致催化剂无法充分发挥作用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明纳米氧化物包覆储氢合金复合材料制备方法的流程图；

图2是本发明实施例二中储氢合金复合材料的SEM形貌图；

图3是本发明实施例三中储氢合金复合材料的SEM形貌图；

图4是本发明实施例中储氢合金复合材料的电化学循环稳定性图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。

以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。

本发明成分设计方面，在AB₃型储氢合金中以稀土元素替代部分La，可以提高合金的循环稳定性及放电容量；在合金外面均匀牢固的包覆上氧化物催化剂，可明显提高合金颗粒表面的活性，增强合金的电化学循环稳定性及动力学性能。需要说明的是，本发明的制备方法中，金属按所设计的化学计量比进行配制时，Mg和稀土金属在配比时增加5％～15％的重量比例的烧损量。

本发明提供一种纳米氧化物包覆储氢合金复合材料，复合材料包括储氢合金和纳米氧化物催化剂，且复合材料的化学式为La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.0-a-bM1_aM2_b+Q>n；其中，La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.0-a-bM_1aM_2b代表储氢合金，MO_n代表纳米氧化物催化剂，Q为纳米氧化物催化剂占储氢合金的质量百分含量，且0<Q<30；x，y，a，b和n均为原子比，且0<x<0.2，0<y<0.6，a+b<1，n＝1，3/2，4/3或2，M的化合价为+2n。

在本发明的进一步实施方式中，储氢合金中，RE选用La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Y和Sc中的一种或多种；M₁和M₂选用主族和/或过渡金属元素，且尤其是选用Ti，V，Mn，Fe，Co，Cu，Zn，Al和Si中的一种或多种；纳米氧化物催化剂中，稀土氧化物催化剂选用CeO₂及其掺杂固溶体，La₂O₃，Pr₂O₃，Eu₂O₃和Sm₂O₃中的一种或多种，过渡金属氧化物催化剂选用Fe₂O₃，Co₂O₃，NiO，ZnO，CuO，Cr₂O₃，Mn₂O₃和MnO₂中的一种或多种。

针对本发明的纳米氧化物包覆储氢合金复合材料，本发明专门提供了制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：按照化学组成La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.5-a-bM_1aM2_b进行配料，之后熔炼，获得铸态合金锭后粉碎，得到储氢合金粉。具体地：

首先，按照化学组成La_1-x-yRE_xMg_yNi_3.5-a-bM_1aM2_b进行配料；其中，x，y，a及b均为原子比，0<x<0.2,0<y<0.6，RE为稀土元素La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Y，Sc中的至少一种，M₁及M₂表示主族及过渡金属元素，包括Ti，V，Mn，Fe，Co，Cu，Zn，Al，Si等；镁和RE稀土金属在配料时增加质量比5％～15％的烧损量，所有金属原材料的纯度高于99.7％。

其次，将配好的金属原料置于镁砂(主要成分为MgO)坩锅中进行加热，且镁应置于坩埚顶层，其余金属顺序不限；采用中频感应熔炼炉进行熔炼，条件为：抽真空至1×10^-2～4×10^-4，充入高纯惰性保护气至0.01～0.1MPa，加热温度为1200～1500℃，保证金属充分熔化；将熔融合金在保护气下浇铸到水冷铜模中，随炉冷却至室温，获得铸态合金锭。

再次，将制备好的铸态合金锭用砂轮打磨掉表面氧化层后机械粉碎为粒度小于300目的粉末，得到储氢合金粉。

S102：配制纳米氧化物催化剂的前驱体溶液。其中，前驱体溶液包括盐溶液和/或有机溶剂；盐溶液为可溶性盐溶液，且具体包括硝酸盐、氯化盐或硫酸盐，盐溶液的浓度为0.1～1mol/L；有机溶剂选用惰性有机溶剂，且具体包括乙醇、丙酮或冰醋酸。

S103：按照复合材料的化学组成，量取前驱体溶液，之后加入表面活性剂和/或高分子化合物，然后加入储氢合金粉并搅拌均匀。其中，表面活性剂和/或高分子化合物包括柠檬酸盐、聚吡咯、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮。

S104：在S103得到的产物中滴加矿化剂，直至形成前驱体悬浊液。其中，矿化剂选用有机碱和/或无机碱，且矿化剂的加入量为：调节前驱体悬浊液的pH值为9～14。

S105：将前驱体悬浊液充分搅拌，之后移入高压磁力反应釜内，在惰性保护气体条件下，按照设定的升温程序和反应时间，于特定压力下进行磁力搅拌溶剂热反应；然后将反应后的产物经冷却、采用乙醇或乙醚洗涤、过滤以及真空干燥处理，制得复合材料。

下面结合具体实施方式进行说明：

需要说明的是，根据表1的化学组成列表，制备各实施例和对比例所需的复合材料。

表1各实施例和对比例复合材料化学组成列表

化学组成实施例一La_0.4Pr_0.15Mg_0.45Ni_2.7Al_0.2Cu_0.1+3wt.％Fe₂O₃实施例二La_0.4Pr_0.15Mg_0.45Ni_2.7Al_0.2Cu_0.1+10wt.％Fe₂O₃实施例三La_0.35Nd_0.15Mg_0.50Ni_2.7Co_0.2Zn_0.1+6wt.％CeO₂实施例四La_0.5Nd_0.15Mg_0.35Ni_2.5Cu_0.3Ti_0.2+5wt.％ZnO实施例五La_0.45Sm_0.15Mg_0.40Ni_2.6Fe_0.2Cu_0.2+7wt.％MnO₂实施例六La_0.60Y_0.05Mg_0.35Ni_2.7Fe_0.15Al_0.15+5wt.％Ce_0.90Cu_0.05Fe_0.05O_2-δ对比例La_0.4Pr_0.15Mg_0.45Ni_2.7Al_0.2Cu_0.1

实施例一

本实施例提供一种纳米氧化物包覆储氢合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S101：首先，将纯度高于99.7％的金属按化学计量La_0.6Pr_0.15Mg_0.25Ni_2.7Co_0.2Si_0.1进行配料；稀土金属及金属Mg在配比时增加5％和8％比例的烧损量。其次，之后采用中频感应熔炼炉进行熔炼，条件为：抽真空至4×10^-4，充入高纯氦气至0.1MPa，加热温度为1300℃，保证金属充分熔化；将熔融合金在保护气下浇铸到水冷铜模中，随炉冷却至室温，获得铸态合金锭。再次，将制备好的铸态合金锭用砂轮打磨掉表面氧化层后机械粉碎为粒度小于300目的粉末，得到储氢合金粉。

S102：配制0.1M的硝酸铁乙醇溶液。

S103：量取19ml硝酸铁溶液，之后加入3g十六烷基三甲基溴化铵；然后将储氢合金粉La_0.6Pr_0.15Mg_0.25Ni_2.7Co_0.2Si_0.1加入催化剂的前驱体溶液中搅拌均匀。

S104：在S103得到的产物中滴加2M氢氧化钾乙醇溶液至悬浊液pH值达到11。

S105：将前驱体悬浊液移入磁力搅拌反应釜中，通入氩气，120℃溶剂热反应12h，将产物冷却后洗涤抽滤，真空干燥，制得复合材料La_0.4Pr_0.15Mg_0.45Ni_2.7Al_0.2Cu_0.1+3wt％Fe₂O₃。

对比例

本对比例提供一种储氢复合材料的制备方法，包括以下步骤：

首先，将纯度高于99.7％的金属按化学计量La_0.6Pr_0.15Mg_0.25Ni_2.7Co_0.2Si_0.1进行配料；其中，稀土金属及金属Mg在配比时增加5％和8％比例的烧损量。

其次，之后采用中频感应熔炼炉进行熔炼，条件为：抽真空至4×10^-4，充入高纯氦气至0.1MPa，加热温度为1300℃，保证金属充分熔化；将熔融合金在保护气下浇铸到水冷铜模中，随炉冷却至室温，获得铸态合金锭。

再次，将制备好的铸态合金锭用砂轮打磨掉表面氧化层后机械粉碎为粒度小于300目的粉末，得到储氢合金粉La_0.6Pr_0.15Mg_0.25Ni_2.7Co_0.2Si_0.1。

实施例二

本实施例提供一种纳米氧化物包覆储氢合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S101：首先，将纯度高于99.7％的金属按化学计量La_0.6Pr_0.15Mg_0.25Ni_2.7Co_0.2Si_0.1进行配料；稀土金属及金属Mg在配比时增加5％和8％比例的烧损量。其次，之后采用中频感应熔炼炉进行熔炼，条件为：抽真空至4×10^-4，充入高纯氦气至0.1MPa，加热温度为1300℃，保证金属充分熔化；将熔融合金在保护气下浇铸到水冷铜模中，随炉冷却至室温，获得铸态合金锭。再次，将制备好的铸态合金锭用砂轮打磨掉表面氧化层后机械粉碎为粒度小于300目的粉末，得到储氢合金粉。

S102：配制0.1M的硝酸铁乙醇溶液。

S103：量取62.5ml硝酸铁溶液，之后加入3g十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂；然后将5g储氢合金粉La_0.6Pr_0.15Mg_0.25Ni_2.7Co_0.2Si_0.1加入催化剂的前驱体溶液中搅拌均匀。

S104：在S103得到的产物中滴加2M氢氧化钾乙醇溶液至悬浊液pH值达到11。

S105：将前驱体悬浊液移入磁力搅拌反应釜中，通入氩气，120℃溶剂热反应12h，将产物冷却后洗涤抽滤，真空干燥，制得复合材料La_0.4Pr_0.15Mg_0.45Ni_2.7Al_0.2Cu_0.1+10wt％Fe₂O₃。

实施例三至实施例六

采用实施例一和实施例二中的方法，制备实施例三至实施例六中的复合材料。需要说明是，除熔炼合金的金属及配比、包覆催化剂时所用金属阳离子盐之外，其余参数均同实施例一和实施例二。

另外，为了进一步说明本发明技术方案的优势，测试各实施例和对比例制备得到的复合材料的性能。其中，采用SEM测试样品的形貌，通过电池测试仪对合金的电化学性能进行测试，采用电池测试仪对复合材料的循环稳定性进行测试，且充放电电流设为60mAh/g。

具体地，图2为本发明实施例二中复合材料的SEM图；图3为本发明实施例三中复合材料的SEM图；图4为实施例一、实施例二与对比例的电化学循环稳定性曲线。此外，针对本发明各实施例和对比例制备得到的储氢合金复合材料，测试其最大放电容量及循环稳定性，结果见表2。

表2各实施例和对比例复合材料的最大放电容量C_max及循环稳定性S₁₀₀

从表2数据可以看出：经过氧化物原位包覆所得复合材料具有良好的活化性能及优异的循环稳定性；与国内外同类合金比较，本发明储氢复合材料的储氢性能得到了显著改善。

采用本发明提供的原料组成以及制备方法，将催化剂合成与包覆过程同步进行，可以将催化剂以纳米薄层形式均匀稳固地包覆于合金表面；与此同时，催化剂前驱体环境可对合金进行表面处理，进而显著提高储氢复合材料的循环稳定性及动力学性能，从而满足高容量电池的需求。

在本说明书的描述中，需要理解的是，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。