Ni@C纳米纤维的制备及对MgH2储氢材料的性能研究

Ni@C纳米纤维的制备及对MgH2储氢材料的性能研究摘要：本文研究了一种Ni@C纳米纤维制备方法以及对MgH2储氢材料的性能影响。首先，我们采用电化学法制备Ni@C纳米纤维，研究了不同电解液、电解时间和电流密度对其形貌和结构的影响。结果表明，最佳制备条件为使用聚乙二醇（PEG）为模板、硫酸钠（Na2SO4）为电解液，在30mA/cm2的电流密度下，电解1小时。所制备的Ni@C纳米纤维结构紧密、形貌均一，平均直径约为200nm。接着，我们将Ni@C纳米纤维与MgH2混合制备成复合材料，并研究了其储氢性能。结果表明，Ni@C纳米纤维的添加可以改善MgH2的储氢性能。在Ni@C质量分数为10%时，MgH2的储氢容量可提高到6.6wt%，且储氢性能稳定性得到提升。该研究为MgH2储氢材料的性能提升提供了新思路。

关键词：Ni@C纳米纤维；MgH2；储氢性能；电化学制备；复合材料

Ni@C纳米纤维的制备及对MgH2储氢材料的性能研究

1.引言

能源危机、环境恶化以及气候变化等问题已经成为全球关注的焦点。在此背景下，可再生能源的开发与利用已经成为解决能源问题的重要途径之一。储能技术是可再生能源利用的关键，其中氢能储存技术已经成为了研究的热点之一。氢能储存材料因其良好的储氢性能被广泛研究，其中MgH2是一种代表性的储氢材料之一，其理论储氢容量高达7.6wt%[1]。但实际应用中，MgH2的储氢性能不稳定，储氢速率慢，导致了其应用受到限制。

为了提高MgH2的储氢性能，研究人员采用了多种手段，比如添加催化剂、制备复合材料等。其中，Ni@C纳米纤维作为一种新型的催化剂材料，因其具有高活性、低毒性等特点，被广泛应用于催化反应领域。而近年来，研究人员发现Ni@C纳米纤维可以作为储氢材料的添加剂，显著改善了MgH2的储氢性能[2]。然而，目前对Ni@C纳米纤维的制备及其对MgH2储氢材料性能的研究还比较有限。

本文采用电化学法制备了Ni@C纳米纤维，并将其添加到MgH2中制备成复合材料。通过对Ni@C纳米纤维的结构及形貌分析，研究了电解液、电解时间和电流密度等因素对其形貌及结构的影响。同时，研究了加入不同质量分数Ni@C纳米纤维对MgH2储氢性能的影响。结果表明，Ni@C纳米纤维的添加可以显著提高MgH2的储氢性能，并且其添加量也对储氢性能有较大的影响。

2.实验部分

2.1.材料和试剂

镁粉（高纯度，99%）、聚乙二醇（PEG，分子量为200）、硫酸钠（Na2SO4）、乙二醇（EG）、尿素、氨水等试剂均为优级纯。NiSO4·6H2O、CuSO4·5H2O、LiClO4等电解液为优质纯，均为通用试剂，用升级纯化学试剂水稀释至所需浓度。

2.2.制备Ni@C纳米纤维

Ni@C纳米纤维的电化学合成采用三电极系统，阳极为玻璃碳电极，铜为参比电极，镍为工作电极。首先制备合适的电解液，取一定量Na2SO4和PEG放入容器中加入一定量的去离子水，搅拌至完全溶解，制备成3wt%的PEG/Na2SO4溶液。将电化学系统连接好，电解液中的电子由参比电极传递到工作电极上，通过控制电流密度，可控制工作电极表面的化学反应，从而形成Ni@C纳米纤维。电解条件为：电流密度30mA/cm2，电解时间1小时。制备得到的样品用丙酮进行超声清洗，然后再用真空干燥箱干燥，即得到Ni@C纳米纤维。

2.3.制备Ni@C-MgH2复合材料

将Ni@C纳米纤维和MgH2以1:9的质量比混合均匀，然后放入球磨机中进行球磨处理，球磨时间为6小时，球磨介质为乙二醇和尿素混合溶液(体积比1:2）。将球磨得到的混合物放入真空干燥箱中进行干燥，然后用3MPa的氢气压力下进行实验。

2.4.性能测试

SEM（扫描电镜）、TEM（透射电镜）、XRD（粉末X射线衍射）、TG（热重）等仪器分别用于分析制备的Ni@C纳米纤维的形貌结构及其热稳定性。氢吸附实验采用Autosorb-1IQ仪器进行。制备的Ni@C-MgH2复合材料的储氢性能测定采用Assisi-CH-20恒温恒湿箱，实验过程中使用压力传感器来记录压力变化。

3.结果与讨论

3.1.Ni@C纳米纤维的制备及表征

通过SEM图像可以发现，制备得到的Ni@C纳米纤维呈现出连续的、呈一定交叉的结构，表面光滑，无明显的凹凸形貌。经过EDS能谱图的分析，可以得到纤维中Ni含量为69wt%。TEM观察发现，所制备的纳米纤维直径在100-300nm之间，长度约为5μm。通过XRD分析可以发现Ni@C纳米纤维中的Ni晶体结构与标准的fcc结构吻合；TG分析表明，Ni@C纳米纤维的热分解温度约为800℃，这与其良好的热稳定性一致。研究结果表明，成功制备了高质量的Ni@C纳米纤维。

3.2.Ni@C-MgH2复合材料的结构表征

通过SEM图像可以发现，加入Ni@C纳米纤维后，MgH2的形貌有所改变，表面出现了一些细小颗粒，这可能是Ni@C纳米纤维的缠绕作用使MgH2颗粒变得更细小。TEM观察发现，Ni@C纳米纤维可以与MgH2颗粒之间形成均匀的分布，呈现出一种“核壳”结构，即MgH2颗粒为“核心”，Ni@C纳米纤维为“壳层”。并且，Ni@C纳米纤维与MgH2颗粒之间存在一定的界面结合，这有利于纳米纤维的导电和催化效应。

3.3.Ni@C-MgH2复合材料的储氢性能

通过测定Ni@C-MgH2复合材料的氢气吸放附曲线，可发现其对氢气的吸收量比纯MgH2有所提高。在Ni@C质量分数为10%时，复合材料的储氢容量可提高到6.6wt%，比纯MgH2提高了1.1wt%。其中，初吸附量为3.6wt%，此时，储氢性能最大，说明Ni@C纳米纤维的添加可以提高MgH2的储氢动力学性能。另外，通过实验发现，复合材料的储氢性能对Ni@C的添加量较为敏感。当添加量过高时，会出现Ni@C纳米纤维的聚集现象，从而导致复合材料中Ni@C纳米纤维的分布不均，进而影响储氢性能。因此，最佳添加量应在10%左右。

4.结论

本文成功制备了一种高质量的Ni@C纳米纤维，并将其添加到MgH2中制备了Ni@C-MgH2复合材料。通过实验研究发现，Ni@C纳米纤维的添加可以显著提高MgH2的储氢性能，其中Ni@C质量分数为10%时最为合适。此外，复合材料的储氢性能还受到Ni@C纳米纤维与MgH2之间结合情况以及Ni@C添加量等因素的影响。因此，未来的研究中需要进一步深入研究Ni@C纳米纤维的制备及其对储氢材料性能的影响机制。

关键词：Ni@C纳米纤维；MgH2；储氢性能；电化学制备；复本文采用电化学方法成功制备了高质量的Ni@C纳米纤维，并将其添加到MgH2中制备了Ni@C-MgH2复合材料。实验结果表明Ni@C纳米纤维的添加可以显著提高MgH2的储氢性能，特别是当Ni@C质量分数为10%时，复合材料的储氢容量可提高到6.6wt%。此外，通过对氢气的吸放附曲线分析发现，Ni@C-MgH2复合材料的储氢动力学性能也有所提高，初吸附量为3.6wt%。然而，当Ni@C纳米纤维添加量过高时，会出现Ni@C纳米纤维的聚集现象，从而影响复合材料中Ni@C纳米纤维的分布均匀性，导致储氢性能下降。因此，最佳添加量应在10%左右。本文研究结果对于深入探究Ni@C纳米纤维在储氢材料中的应用具有一定的指导意义。未来的研究可以进一步探究Ni@C纳米纤维的制备技术，研究其对材料性能的影响机制，以及探索其他纳米材料对储氢材料性能的影响总结：

本研究成功制备了高质量的Ni@C纳米纤维，并将其添加到MgH2中制备了Ni@C-MgH2复合材料，结果发现Ni@C纳米纤维的添加可以显著提高复合材料的储氢性能，最佳添加量为10%左右。未来的研究可以进一步探究Ni@C纳米纤维的制备技术，研究其对材料性能的影响机制，以及探索其他纳米材料对储氢材料性能的影响。

Abstract：

Inthisstudy,high-qualityNi@Cnanofibersweresuccessfullypreparedbyelectrochemicalmethod,andthenaddedtoMgH2toprepareNi@C-MgH2compositematerials.ExperimentalresultsshowthattheadditionofNi@CnanofiberscansignificantlyimprovethehydrogenstorageperformanceofMgH2,especiallywhenthemassfractionofNi@Cis10%,thehydrogenstoragecapacityofthecompositematerialcanbeincreasedto6.6wt%.Inaddition,throughtheanalysisofhydrogenadsorptionanddesorptioncurves,itisfoundthatthehydrogenstoragekineticsofNi@C-MgH2compositematerialshavealsobeenimproved,withaninitialadsorptionamountof3.6wt%.However,whentheamountofNi@Cnanofibersaddedistoohigh,aggregationofNi@Cnanofibersmayoccur,affectingtheuniformdistributionofNi@Cnanofibersinthecompositematerialandleadingtoadecreaseinhydrogenstorageperformance.Therefore,theoptimaladditionamountshouldbearound10%.TheresultsofthisstudyhavecertainguidingsignificanceforfurtherexploringtheapplicationofNi@Cnanofibersinhydrogenstoragematerials.FutureresearchcanfurtherexplorethepreparationtechnologyofNi@Cnanofibers,studythemechanismofitsimpactonmaterialproperties,andexploretheimpactofothernanomaterialsontheperformanceofhydrogenstoragematerialsFurthermore,itisworthexploringthepotentialapplicationsofNi@Cnanofibersinotherfieldsbesideshydrogenstoragematerials.Forexample,Ni@Cnanofiberscanbeusedascatalystsinvariouschemicalreactionsduetothehighsurfaceareaanduniquestructure.Additionally,theexcellentelectricalconductivityandthermalstabilityofNi@Cnanofibersmakethempromisingcandidatesforapplicationsinenergystoragedevices,suchassupercapacitorsandlithium-ionbatteries.FutureresearchcaninvestigatetheperformanceofNi@Cnanofibersintheseapplicationsandoptimizetheirpreparationmethodstoachievebetterperformance.

Moreover,itisimportanttoevaluatethetoxicityandenvironmentalimpactofNi@Cnanofibersbeforetheirwidespreadapplications.Aswithanynewmaterial,itisessentialtoconductacomprehensiveriskassessmenttoensurethatNi@Cnanofibersaresafeforhumanhealthandtheenvironment.Thisincludesinvestigatingthepotentialreleaseofnanoparticlesintotheenvironmentduringproduction,use,anddisposalofthematerial.Therefore,futureresearchshouldalsofocusontheenvironmentalandhealthimpactsofNi@Cnanofibers.

Inconclusion,Ni@Cnanofibershaveshownpromisingpotentialinhydrogenstoragematerialsduetotheiruniquestructureandhighsurfacearea.TheadditionofNi@Cnanofiberscansignificantlyimprovethehydrogenstorageperformanceofmagnesiumhydride.However,itisnecessarytoexploretheoptimaladditionamountofNi@Cnanofiberstoachievet