储氢材料及其制备方法技术

提供储氢材料，其包含第一区域和第二区域，所述第一区域主要由含有至少一种选自Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ和Ｙ的金属元素的无定形碳构成，所述第二区域主要由密度低于第一区域的无定形碳构成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种含有无定形碳的。
技术介绍
近年来，为了使用清洁能源，在燃料电池和蒸汽泵中和在天然能的储存等中利用氢的技术吸引了公众的注意。在这些利用氢的技术中，常规使用氢储存合金以便进行氢气的吸留和释放。然而，这些氢储存合金存在一些缺点，即它们过重，并且当重复吸留/释放过程时，发生材料降解并且显示降低的氢储存容量(重复性能恶化)。在这种情形下，最近已经研究一种利用碳-型材料如碳纳米管、石墨纳米纤维等的技术，其中氢被吸留在碳构造中由于晶体缺陷、层状结构等导致的空隙中。特别是，目前的关注集中在无定形碳材料上，无定形碳材料据说通常显示很小的上述氢吸留/释放重复性能的恶化(例如，参考未审查的日本专利公开(Kokai)2001-106516和2002-28483)。然而，即使使用这些碳材料，也应当认为，重复氢吸留/释放性能的改善仍然不能令人满意。这认为是由于以下事实，即储氢位点(保留氢的位点)和吸收/释放位点(氢迁移发生和氢从储氢位点解吸的位点)在相同位置上，因此由于重复吸留/释放过程导致碳结构破坏和改变。专利技术概述本专利技术意欲解决上述问题。本专利技术的一个目的是提供储氢材料，其不仅具有单位重量的高储氢容量，而且当重复氢气的吸留和释放过程时未显示性能的恶化，还提供这些储氢材料的制备方法。为了实现以上目的，本专利技术的储氢材料包含第一区域和第二区域，所述第一区域主要由含有至少一种选自Ti、Zr、Hf和Y的金属元素的无定形碳构成，所述第二区域主要由密度低于第一区域的无定形碳构成。按照本专利技术，认为氢储存在容易生成氢化物的金属元素如Ti，Zr，Hf和Y等的附近，而解吸的氢主要从较低密度的第二区域上迁移。因此，即使重复氢的吸留和释放过程，储氢材料的性能不会恶化。备选地，本专利技术的储氢材料包含存在于无定形碳中的空隙，该无定形碳含有至少一种选自Ti，Zr，Hf和Y的金属元素。因此根据本专利技术，认为氢储存在容易生成氢化物的金属元素如Ti，Zr，Hf和Y等的附近，而解吸的氢主要通过空隙迁移。因此，即使重复氢的吸留和释放过程，储氢材料的性能不会恶化。在储氢材料中，优选金属元素的含量为0.02-30原子％。优选储氢材料是薄膜形式，并且第二区域或空隙向薄膜的厚度方向延伸。一种制备按照本专利技术的储氢材料的方法包含下列步骤提供含有至少一种选自Ti，Zr，Hf和Y的金属元素的碳源，根据气相合成在773K或更低的温度下在基底材料的表面上形成由含有所述金属元素的无定形碳构成的薄膜。另外，一种制备按照本专利技术的储氢材料的方法包含下列步骤提供含有至少一种选自Ti，Zr，Hf和Y的金属元素的碳源，根据溅射法在1.33322Pa或更高的工艺气压下在基底材料的表面上形成由含有所述金属元素的无定形碳构成的薄膜。附图简述附图说明图1是显示本专利技术储氢材料的构造的横截面的透视图。图2是图1的部分放大剖面图。图3是显示本专利技术储氢材料的构造图像的视图。图4是另一张显示本专利技术储氢材料的构造图像的视图。图5是另外一张显示本专利技术储氢材料的构造图像的视图。图6是再另外一张显示本专利技术储氢材料的构造图像的视图。优选实施方案描述下面是关于本专利技术的一个实施方案的描述。图1是用示意图显示本专利技术储氢材料的构造截面图的透视图。参照图1，显示储氢材料10，其包含多个柱状的第一区域2和以网状形式存在于这些第一区域2之间的第二区域4。在该实施方案中，储氢材料10是薄膜形式，其中第二区域4向厚度方向(图1的顶部和底部方向)延伸。按照本实施方案，储氢材料10采取根据气相合成形成的薄膜的形式。图2是图1部分放大的截面图。参考图2，第一区域2包含存在于无定形碳结构中的至少一种选自Ti，Zr，Hf和Y的金属元素24，其中碳原子20彼此随机键合。无定形碳被称为各种名称，如非晶碳，类金刚石碳，玻璃碳等。然而，这些术语没有彼此清楚区分开。通常，无定形碳是其中碳原子彼此以网状形式键合的固体，它没有所谓的晶体结构中长距离的周期性的原子排列。金属元素24容易生成氢化物。认为金属元素24可以与渗透到储氢材料10中的氢原子22结合，形成例如金属氢化物或填隙氢化物，由此，大量氢储存在储氢材料10内部。该金属元素是Ti、Zr、Hf或Y。可以单独或以两个或多个的组合包括它们。优选金属元素相对于储氢材料10的含量为0.02-30原子％。当金属元素的含量低于0.02原子％时，储氢材料10不能储存满意量的氢。在另一方面，当含量高于30原子％时，在金属元素和碳原子之间形成碳化物或类似碳化物的簇，以致储氢材料10不能起有效的储氢位点的作用，或者如下所述第二区域4的形成受不利影响。更优选地，金属元素的含量为1-15原子％。另一方面，第二区域4由密度低于第一区域2的无定形碳构成。该无定形碳如关于第一区域2的描述中所述。不特别限制第二区域4和第一区域2之间密度的差异。然而，优选第二区域4具有比第一区域2低10-40％比例的密度。当该密度差异低于10％时，认为第二区域不能起如下所述的吸附/解吸位点的作用，以致氢吸留/释放的重复性能降低。在另一方面，当密度差异超过40％时，成为储氢位点的第一区域的比例如此低以致于储氢量降低。测定第一区域和第二区域之间密度差异的方法包括根据EELS(电子能量损失能谱学)获得响应密度差异的能量吸收差异的方法。整个储氢材料的密度(第一区域和第二区域的密度平均值)随金属元素的含量而变化。例如，在无金属元素的状态下它为大约1.4-2.2g/cm3。另外，不具体限制整个储氢材料中第二区域相对于第一区域的体积的比例。当储氢材料的厚度大约为1μm时，材料表层部分中的第二区域的体积是相对于第一区域的体积的约20％或更低。不具体限制在图2左右方向上的第一区域2和第一区域2之间的空隙，即第二区域4的宽度，但是可以约为例如1nm至数nm。另外，当本专利技术的储氢材料如下所述根据气相合成形成薄膜时，薄膜的厚度越大，第二区域的宽度越大。如上所述，第二区域4的密度低于第一区域2。因此，当吸留在金属元素24附近的储存位点中的氢22从该储存位点解吸而在储氢材料内迁移时，认为它迁移通过易于其移动的第二区域4。为此，认为储氢位点(在第一区域2的金属元素24的附近)不同于吸收/释放位点(第二区域4)，以使由于重复氢吸留/释放过程导致的碳结构变化难以发生。重复性能因此不会恶化。另外，由于毛细现象，氢原子从第二区域4掺入储氢材料中，由此可以在低温(约600K)下进行热和物理氢吸附和解吸。在以上实施方案中，我们描述了第二区域4密度低于第一区域2的情形。然而，本专利技术还包括其中存在空隙以代替第二区域4的情形。当空隙存在时，认为储存在第一区域2的储存位点中的氢通过易于其移动的空隙在储氢材料内部迁移，由此进行吸附/释放过程。空隙的厚度(直径)，和第一区域相对于空隙的体积比例基本上与第二区域相同。然而，与存在第二区域的情形相比，空隙宽度，空隙相对于第一区域的体积百分比例倾向于增加。认为该倾向是由于以下事实造成的，即如果柱之间的宽度扩大，空隙被不完全地填充以碳键网络以致形成间隙。备选地，第二区域也可以与空隙结合存在。当例如按照以下所述的气相合成以薄膜形式制备本专利技术的储氢材料，并且第二区域(空隙)在薄膜厚度方向上延伸时，那么氢原子在薄膜厚度方向上吸收和解吸。因此，通过在薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种储氢材料，其包含第一区域和第二区域，所述第一区域主要由含有至少一种选自Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ和Ｙ的金属元素的无定形碳构成，所述第二区域主要由密度低于第一区域的无定形碳构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-1-31 023697/20031.一种储氢材料，其包含第一区域和第二区域，所述第一区域主要由含有至少一种选自Ti、Zr、Hf和Y的金属元素的无定形碳构成，所述第二区域主要由密度低于第一区域的无定形碳构成。2.一种储氢材料，其包含存在于无定形碳中的空隙，该无定形碳含有至少一种选自Ti，Zr，Hf和Y的金属元素。3.权利要求1或2的储氢材料，其中金属元素的含量为0.02-30原子％。4.权利要求1-3中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：岩村荣治，
申请(专利权)人：独立行政法人科学技术振兴机构，
类型：发明
国别省市：JP[日本]