節(jié)能環(huán)保新材料：鎂基能源開啟綠色蓄電池新紀元

　　 鎂及其合金具有密度小，比強度高，阻尼性能好等優(yōu)點，可用于航空航天、汽車及電子等行業(yè)部分取代鋼鐵構(gòu)件和鋁合金零件，以達到減重及節(jié)能減排的目的。而近年來，鎂的一些功能特性也逐漸引起了人們的重視。例如，鎂基儲氫材料因其儲氫量大、鎂資源豐富、成本低廉而被認為是最有應(yīng)用前景的金屬基儲氫材料之一。但純Mg的吸氫和放氫動力學(xué)性能差，反應(yīng)溫度要求高，限制了其實際應(yīng)用。Mg的理論儲氫容量為7.6 wt％，MgH2的形成焓為-74.5 kJ/mol，吸放氫溫度高達 350-400oC 。同時，受動力學(xué)因素的限制，Mg的吸放氫速率非常緩慢。這些缺點阻礙了鎂基儲氫材料的大規(guī)模應(yīng)用。多年來，為改善鎂基儲氫材料的吸放氫性能，降低吸放氫反應(yīng)溫度，提高動力學(xué)反應(yīng)速度，國內(nèi)外研究者做了大量的工作。由于氫化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性通常只取決于反應(yīng)物和生成物本身，與反應(yīng)途徑無關(guān)。因此，一般通過合金化方法，改變氫化反應(yīng)本征特性來降低純鎂氫化物的穩(wěn)定性。至于動力學(xué)性能，則可以通過對合金體系進行表面改性，增加其比表面積以及提高體系的氫擴散速度來實現(xiàn)。

　　從化學(xué)特性上來看，鎂是在元素周期表中與鋰處于對角線位置的第II組族金屬，因此與鋰具有相似的化學(xué)性質(zhì)。與鋰相比，雖然鎂的電極電位略高（鋰為-3.03V，鎂為-2.37V（酸性）、-2.69V（堿性））、理論比容量較低（鋰為3862 mAh/g，鎂為2205mAh/g），但鎂的價格低廉（約為鋰的1/24）、環(huán)境友好、熔點高（649℃）、易加工處理、安全性更高，因此用鎂作負極的鎂電池是一種有良好應(yīng)用前景的化學(xué)電源。2000年，以色列D. Aurbach研究小組提出的Mg│0.25 mol/L Mg(AlCl2BuEt)2/THF│MgxMo3S4體系，極大推進了可充鎂電池的進展。我國鎂資源的儲量居世界首位，具有開發(fā)鎂電池的獨特優(yōu)勢。可充鎂電池在大負荷用途方面具有潛在優(yōu)勢，與大型動力鋰二次電池相比，有望在安全和價格兩點上取得突破，也能提供比鉛酸電池和鎳鎘電池體系高得多的能量密度，被認為是很有望適于電動汽車的一種綠色蓄電池。

　　鎂基儲氫材料

　　為解決鎂基儲氫材料在熱力學(xué)與動力學(xué)方面的缺陷，納米化是最有效的方法。納米材料具有很大的比表面積，其量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)，使納米材料呈現(xiàn)出許多特有的物理、化學(xué)性質(zhì)，已成為物理、化學(xué)、材料等諸多學(xué)科研究的前沿領(lǐng)域。納米尺度的鎂基氫化物具有優(yōu)良的吸放氫動力學(xué)性能，這主要是由于納米粒子大的比表面積、更多的缺陷的存在和更短的擴散途徑。在納米鎂顆粒小于5納米以下后可顯著降低吸放氫的焓值，因而具有更好的熱力學(xué)性能。為實現(xiàn)鎂基儲氫合金或復(fù)合材料的納米化，可采用多種物理或化學(xué)方法，如球磨法、溶膠凝膠法，物理氣相沉積法、納米限域法等。氫等離子體電弧法是一種物理氣相沉積法，可用于高效制備納米金屬粉體，它采用高溫氫等離子體使金屬氣化、蒸發(fā)，形成煙霧狀金屬原子團簇，然后冷卻沉積成為超細/納米粉體。

　　在氣態(tài)條件下還可以實現(xiàn)不同金屬在原子尺度的混合，這種方法制備納米金屬/合金粉體效率高，且納米顆粒不容易團聚，尺寸可控，可以制備從幾納米到幾百個納米范圍的粉體，是鎂基儲氫材料的一種理想制備方法。在納米制備完成后，如果對粉體進行鈍化處理，即通入空氣-氬氣或氧氣-氬氣混合氣體，則可在鎂顆粒表面生成一層極薄的MgO層，該氧化物層可阻止Mg顆粒被進一步氧化，使得粉體可在干燥空氣中保存，但也會降低鎂顆粒的表面活性，從而不利于儲氫性能[1]。圖1a為氫等離子體電弧法制備的超細純鎂粉的透射電鏡形貌?？梢钥吹?，電弧法制備的鎂粉顆粒多為六角形，尺寸在100-700nm之間。圖1b為純鎂粉在不同氣固反應(yīng)溫度下的壓力-溫度-成分（PCT）曲線，從中可以看到，鎂粉的儲氫量及平衡氫壓隨溫度上升而上升，在400oC下的最大儲氫量可達6.24wt%左右。

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