JP2002522209A - Novel hydrogen storage material and production method by dry homogenization - Google Patents
Novel hydrogen storage material and production method by dry homogenizationInfo
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Abstract
(57)【要約】 可逆的水素貯蔵用の材料としての乾式均質化金属水素化物、特に水素化アルミニウム化合物が提供される。該可逆的水素貯蔵材料は、金属アルミニウム水素化物、又は金属アルミニウム水素化物の混合物上に遷移金属触媒部位を有する乾式均質化材料を含む。このような可逆的水素貯蔵材料の乾式ドーピングによる製造方法も提供され、それは、金属アルミニウム水素化物の粉末を、遷移金属触媒と共に、粉砕又はボールミル粉砕のような機械的混合によって金属水素化物を乾式均質化する工程を含む。本発明の他の観点では、該可逆的水素貯蔵材料で車両装置に動力を供給する方法が提供される。 (57) [Summary] Dry homogenized metal hydrides, especially aluminum hydride compounds, are provided as materials for reversible hydrogen storage. The reversible hydrogen storage material comprises a dry homogenized material having transition metal catalyst sites on a metal aluminum hydride or a mixture of metal aluminum hydrides. Also provided is a method for producing such a reversible hydrogen storage material by dry doping, which comprises powdering a metal aluminum hydride together with a transition metal catalyst by dry homogenizing the metal hydride by mechanical mixing such as grinding or ball milling. Including the step of forming In another aspect of the invention, a method is provided for powering a vehicle device with the reversible hydrogen storage material.
Description
【0001】 (発明の分野) 本発明は、一般に可逆的水素貯蔵の分野に関する。さらに詳細には、本発明は
、可逆的水素貯蔵用の材料としての乾式均質化金属水素化物、特に水素化アルミ
ニウム化合物、及びその製造方法に関する。 (発明の背景) 数十年間、水素は、その豊富さ及び環境的にフレンドリーなことから、将来の
理想的燃料として目標とされてきた。燃料としての水素の利用における主要な難
しさは、搭載水素貯蔵の問題である。高圧及び低温水素貯蔵系は、安全関連及び
容積の制約のため車用途では実用的でない。このことは、車用途の固体水素貯蔵
系の開発に対する広範な試みを促進してきた。金属水素化物、活性炭、及びカー
ボンナノチューブは、水素キャリヤとして研究されてきた。例えば、LaNiH5 が研究されたが、その高価さゆえに完全に満足するには至らなかった。不運な
ことに、数十年の広範な努力にもかかわらず、特に金属水素化物の分野では、高
い重量水素密度、十分な水素解離エネルギー、及び商業的な車用途で要求される
低コストの組合せを有する材料は見いだされていない。[0001] The present invention relates generally to the field of reversible hydrogen storage. More particularly, the present invention relates to dry homogenized metal hydrides, especially aluminum hydride compounds, as a material for reversible hydrogen storage, and a method for producing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION For decades, hydrogen has been targeted as the ideal fuel of the future because of its abundance and environmental friendliness. A major difficulty in using hydrogen as a fuel is the problem of on-board hydrogen storage. High pressure and low temperature hydrogen storage systems are not practical in vehicle applications due to safety concerns and volume constraints. This has facilitated a wide range of attempts to develop solid hydrogen storage systems for automotive applications. Metal hydrides, activated carbon, and carbon nanotubes have been studied as hydrogen carriers. For example, although LaNiH 5 were studied, but failed to fully satisfied with the expensiveness due. Unfortunately, despite decades of extensive efforts, especially in the field of metal hydrides, a combination of high gravimetric hydrogen density, sufficient hydrogen dissociation energy, and the low cost required for commercial vehicle applications No material having the following has been found.
【0002】 NaAlH4の脱水素が適度な温度で熱力学的に好ましいことは公知である。
脱水素は、下記式1及び2に示されるような反応を含む複数プロセスで起こると
考えられている。 3NaAlH4→Na3AlH6+2Al+3H2 (1) Na3AlH6→3NaH+Al+3/2H2 (2) このプロセスは、非常に遅い速度論と、厳しい条件下のみでの可逆性を特徴と
する。従って、NaAlH4は、適度な温度で熱力学的に利用可能な水素を5.6質
量%有しているにもかかわらず、可能性のある水素貯蔵材料としては一般に考え
らていなかった。この考えは、ボグダノビック(Bogdanovic)及びシュビッカルデ
ィ(Schwickardi)による、NaAlH4のチタンドーピングが、水素脱離の速度論
を向上させ、かつ適度な条件下での可逆的な脱水素プロセスを与えるという最近
の発見によって変わってきた。ボグダノビックは、2モル%のチタンテトラ-n-
ブトキシド、Ti(OBun)4を含むNaAlH4のエーテル懸濁液のエバポレー
ションによってチタン湿式ドーピングすると、初期脱水素の開始が約50℃程度
下がることを見いだした。しかし、この従来技術のアプローチは、多くの制限の
支配を受ける。例えば、温度は未だかなり高く、その反応速度論は、実際の車用
途に適した材料を製造するほどではない。[0002] It is known that the dehydrogenation of NaAlH 4 is thermodynamically favorable at moderate temperatures.
It is believed that dehydrogenation occurs in multiple processes, including reactions as shown in Equations 1 and 2 below. 3NaAlH 4 → Na 3 AlH 6 + 2Al + 3H 2 (1) Na 3 AlH 6 → 3NaH + Al + 3 / 2H 2 (2) This process is characterized by very slow kinetics and reversibility only under severe conditions. Thus, despite having 5.6% by mass of thermodynamically available hydrogen at moderate temperatures, NaAlH 4 was not generally considered as a potential hydrogen storage material. This idea is due to Bogudanobikku (Bogdanovic) and Gerhard bit Cardi (Schwickardi), that titanium doping of NaAlH 4 is to improve the kinetics of hydrogen desorption, and provide a reversible dehydrogenation process in a moderate condition It has changed with recent discoveries. Bogdanovic has 2 mol% titanium tetra-n-
Butoxide, when titanium wet doped with Ti (OBu n) evaporation of ether a suspension of NaAlH 4 containing 4 found that initiation of initial dehydrogenation decreases about 50 ° C.. However, this prior art approach is subject to many limitations. For example, temperatures are still quite high, and their kinetics are not enough to produce materials suitable for real vehicle applications.
【0003】 従って、実際の車用途に好適な材料を製造するめに、脱水素プロセスの速度論
のさらなる開発が要望されている。NaAlH4等のような金属水素化物の可逆
的脱水素の速度論におけるさらなる開発が達成できるかを研究することが関心事
である。さらに、上述の議論が示すように、安全、豊富、低コスト、かつ有効な
材料、及び水素の貯蔵及び放出の方法が要望されている。[0003] Therefore, there is a need for further development of the kinetics of the dehydrogenation process in order to produce materials suitable for real vehicle applications. It is a concern that a further development in the kinetics of reversible dehydrogenation of a metal hydride such as NaAlH 4 or the like is studied whether achievable. Further, as the above discussion indicates, there is a need for safe, abundant, low cost, and effective materials and methods for storing and releasing hydrogen.
【0004】 (発明の概要) 本発明は、安価で豊富な出発材料から容易に調製される新規な可逆的水素貯蔵
材料及びその材料の製造方法を提供する。 さらに詳細には、本発明は、新規な乾式ドーピング方法であって、金属アルミ
ニウム水素化物の粉末を、遷移金属触媒と共に、粉砕又はボールミル粉砕のよう
に機械的に混合することによって、金属水素化物を乾式均質化する工程を含んで
なる方法を提供する。この金属アルミニウム水素化物は、以下の一般式のもので
あり:X1AlH4、式中X1はアルカリ金属である;X2(AlH4)2、式中X2は
アルカリ土類金属である;X3(AlH4)4、式中X3はTi、Zr又はHfである
;X4AlH6、式中X4はアルカリ金属である;X5(AlH6)2、式中X5はアル
カリ土類金属である;X6(AlH6)4、式中X6はTi、Zr又はHfである;ま
たは上記水素化物のいずれかの組合せのものである。SUMMARY OF THE INVENTION [0004] The present invention provides novel reversible hydrogen storage materials that are easily prepared from inexpensive and abundant starting materials, and methods of making the materials. More specifically, the present invention is a novel dry doping method, comprising the steps of mechanically mixing a metal aluminum hydride powder with a transition metal catalyst, such as grinding or ball milling, to form a metal hydride. A method comprising dry homogenizing is provided. The metal aluminum hydride is of the general formula: X 1 AlH 4 , where X 1 is an alkali metal; X 2 (AlH 4 ) 2 , where X 2 is an alkaline earth metal X 3 (AlH 4 ) 4 , wherein X 3 is Ti, Zr or Hf; X 4 AlH 6 , wherein X 4 is an alkali metal; X 5 (AlH 6 ) 2 , wherein X 5 is X 6 (AlH 6 ) 4 , wherein X 6 is Ti, Zr or Hf; or any combination of the above hydrides.
【0005】 本発明の他の観点では、水素を貯蔵及び放出するための材料であって、金属ア
ルミニウム水素化物、又は金属アルミニウム水素化物の混合物上に遷移金属触媒
部位を有する乾式均質化材料を含んでなる材料が提供される。 発明者らは、本発明の金属アルミニウム水素化物の遷移金属触媒を伴う均質化
方法が、75℃程度も脱水素温度を下げ、かつ顕著に循環可能水素容量を高める
ことを見いだした。これらの発見は、この分類の水素化物の水素貯蔵への適用に
おいて大きな進歩を示す。特に、これら発見は、以前は認識されていなかった成
功である車の動力供給用の実用的な水素貯蔵材料及び方法の開発を可能にする。 本発明のこれら及び他の目的及び利点は、図面を参照しながら本明細書、特許
請求の範囲を解読することで明らかである。[0005] In another aspect of the invention, a material for storing and releasing hydrogen comprises a dry homogenized material having transition metal catalyst sites on a metal aluminum hydride or a mixture of metal aluminum hydrides. Is provided. The inventors have found that the method for homogenizing a metal aluminum hydride with a transition metal catalyst of the present invention lowers the dehydrogenation temperature by as much as 75 ° C. and significantly increases the recyclable hydrogen capacity. These findings represent a significant advance in the application of this class of hydrides to hydrogen storage. In particular, these discoveries enable the development of practical hydrogen storage materials and methods for vehicle powering, a previously unrecognized success. These and other objects and advantages of the invention will be apparent from reading the specification and claims with reference to the drawings.
【0006】 (発明の詳細な説明) 本発明の重要な利点は、安価で豊富な出発材料から容易に調製される新規な可
逆的水素貯蔵材料及びその材料の製造方法を提供することである。 さらに詳細には、本発明は、新規な乾式ドーピング方法であって、金属アルミ
ニウム水素化物の粉末を、遷移金属触媒と共に、粉砕又はボールミル粉砕のよう
に機械的に混合することによって、金属水素化物を乾式均質化する工程を含んで
なる方法を提供する。この金属アルミニウム水素化物は、以下の一般式のもので
あり:X1AlH4、式中X1はアルカリ金属である;X2(AlH4)2、式中X2は
アルカリ土類金属である;X3(AlH4)4、式中X3はTi、Zr又はHfである
;X4AlH6、式中X4はアルカリ金属である;X5(AlH6)2、式中X5はアル
カリ土類金属である;X6(AlH6)4、式中X6はTi、Zr又はHfである;ま
たは上記水素化物のいずれかの組合せのものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An important advantage of the present invention is that it provides a novel reversible hydrogen storage material that is readily prepared from inexpensive and abundant starting materials and a method of making the material. More specifically, the present invention is a novel dry doping method, comprising the steps of mechanically mixing a metal aluminum hydride powder with a transition metal catalyst, such as grinding or ball milling, to form a metal hydride. A method comprising dry homogenizing is provided. The metal aluminum hydride is of the general formula: X 1 AlH 4 , where X 1 is an alkali metal; X 2 (AlH 4 ) 2 , where X 2 is an alkaline earth metal X 3 (AlH 4 ) 4 , wherein X 3 is Ti, Zr or Hf; X 4 AlH 6 , wherein X 4 is an alkali metal; X 5 (AlH 6 ) 2 , wherein X 5 is X 6 (AlH 6 ) 4 , wherein X 6 is Ti, Zr or Hf; or any combination of the above hydrides.
【0007】 本発明の他の観点では、貯蔵及び放出するための材料であって、金属アルミニ
ウム水素化物、又は金属アルミニウム水素化物の混合物上に遷移金属触媒部位を
有する乾式均質化材料から成る材料が提供される。 本発明の他の観点では、この水素貯蔵材料を使用して車両装置に動力を供給し
、かつこの新規な方法は、さらに乾式均質化水素貯蔵材料を脱水素して水素を放
出する工程、及びその放出された水素によって車両装置に動力を供給する工程を
包含する。In another aspect of the invention, a material for storage and release comprising a dry homogenized material having transition metal catalyst sites on a metal aluminum hydride or a mixture of metal aluminum hydrides. Provided. In another aspect of the invention, the hydrogen storage material is used to power a vehicle device, and the novel method further comprises dehydrogenating the dry homogenized hydrogen storage material to release hydrogen; and Powering the vehicle device with the released hydrogen.
【0008】 本発明の材料及び方法は、従来技術(特にボグダノビックのドープ材料)とは全
く異なり、顕著に改良され、かつ予想外の触媒効果を示す。本発明者らは、本発
明の金属アルミニウム水素化物の遷移金属触媒を伴う均質化方法が、75℃程度
もも脱水素温度を下げ、かつ顕著に循環可能水素容量を高めることを見いだした
。これらの発見は、この分類の水素化物の水素貯蔵への適用において大きな進歩
を示す。特に、これら発見は、以前は認識されていなかった成功である車の動力
供給用の実用的な水素貯蔵材料及び方法の開発を可能にする。The materials and methods of the present invention are quite different from the prior art (particularly Bogdanovic dope materials), exhibit significantly improved and unexpected catalytic effects. The present inventors have found that the method for homogenizing a metal aluminum hydride with a transition metal catalyst of the present invention lowers the dehydrogenation temperature by as much as 75 ° C. and remarkably increases the recyclable hydrogen capacity. These findings represent a significant advance in the application of this class of hydrides to hydrogen storage. In particular, these discoveries enable the development of practical hydrogen storage materials and methods for vehicle powering, a previously unrecognized success.
【0009】 発明の背景で述べたように、特定の金属アルミニウム水素化物、特にNaAl
H4の脱水素は、適度な温度で熱力学的に好ましい。式1及び2に示される反応
を含む複数工程プロセスで起こることが知られている。この材料は、比較的高率
の水素を持っていながら、そのプロセスは非常に遅い反応速度論を示し、かつ厳
しい条件下のみで可逆的である。厳しい条件の例は、約270℃、約1.77×107P
a(175気圧)の水素圧である。As mentioned in the background of the invention, certain metal aluminum hydrides, especially NaAl
H 4 dehydrogenation is thermodynamically favorable at moderate temperatures. It is known to occur in a multi-step process involving the reactions shown in equations 1 and 2. While this material has a relatively high rate of hydrogen, the process exhibits very slow kinetics and is reversible only under harsh conditions. Examples of severe conditions are about 270 ° C and about 1.77 × 10 7 P
a (175 atm) hydrogen pressure.
【0010】 従来技術と非常に対照的なことに、本発明のNaAlH4の脱水素速度論は、
ホスト水素化物のチタンドーピングによって従来達成された速度論を遙かに超え
て向上した。一の例示的実施形態では、アルゴン雰囲気下で、約2モル%のチタ
ン触媒、特にTi(OBun)4を伴うNaAlH4の均質化は、炭素の痕跡しか含
まない新奇な材料を生成する。熱プログラム脱離(TPD)の測定は、この材料の
脱水素が、湿式化学的方法によってチタンでドープされたNaAlH4に対して
以前に見られたよりも約30℃低い温度で起こることを示す。この脱水素温度の
低下は、該材料の水素によって車に動力を供給するための水素貯蔵材料としての
使用を可能にするのに重要な進歩である。この新規なチタン含有材料は、170
℃で1.52×107Pa(150atm)の水素圧下で、完全に再水素化できる。「湿式ドー
プ」NaAlH4材料とのさらなる対比において、この新規な材料で観察される
脱水素速度論は、数回の脱水素/水素化サイクルの間中低減されない。In sharp contrast to the prior art, the dehydrogenation kinetics of NaAlH 4 of the present invention is:
The kinetics far improved previously achieved by titanium doping of the host hydride was improved. In one exemplary embodiment, under an argon atmosphere, about 2 mol% of titanium catalyst, in particular Ti homogenization (OBu n) 4 involves NaAlH 4, to produce a novel material containing only traces of carbon. Measurements of thermal programmed desorption (TPD) show that dehydrogenation of this material occurs at about 30 ° C. lower than previously seen for NaAlH 4 doped with titanium by wet chemical methods. This reduction in dehydrogenation temperature is a significant advance in enabling the material to be used as a hydrogen storage material to power vehicles with hydrogen. This new titanium-containing material is 170
It can be completely rehydrogenated at 150 ° C under a hydrogen pressure of 1.52 x 10 7 Pa (150 atm). In further contrast to the "wet dope" NaAlH 4 material, dehydrogenation kinetics observed in this new material is not reduced during the several dehydrogenation / hydrogenation cycles.
【0011】 さらに詳細には、本発明は、乾式均質化による遷移金属触媒との水素化アルミ
ニウムのドーピングを提供する。本方法で実施しうる好適な水素化アルミニウム
は、通常以下の式を有する:X1AlH4、式中X1はアルカリ金属である;X2(
AlH4)2、式中X2はアルカリ土類金属である;X3(AlH4)4、式中X3はTi
、Zr又はHfである;X4AlH6、式中X4はアルカリ金属である;X5(Al
H6)2、式中X5はアルカリ土類金属である;X6(AlH6)4、式中X6はTi、Z
r又はHfである;または上記水素化物のいずれかの組合せのものである。この
ような好適な水素化アルミニウムの例としては、限定するものではないが:水素
化アルミニウムナトリウム(NaAlH3)、6水素化アルミニウムナトリウム(N
a3AlH6)、水素化アルミニウムマグネシウム(Mg(AlH4)2)、水素化アル
ミニウムチタン(Ti(AlH4)4)、水素化アルミニウムジルコニウム(Zr(Al
H4)4)等が挙げられる。本発明で使用する遷移金属触媒としては、チタン、ジル
コニウム、バナジウム、鉄、コバルト又はニッケルが挙げられる。好適な触媒前
駆体である遷移金属とランタニド金属の錯体としては、限定するものではないが
、Ti(OBu)4、Zr(OPr)4、VO(OPri)3、Fe(acac)2、Co(
acac)2、Ni(1,5-シクロオクタジエン)2、La(acac)3、及びそれら
の混合物が挙げられ、式中、acacはアセチルアセトネートであり、Priは
イソプロピルである。好ましい一実施形態では、本発明の水素貯蔵材料は、乾式
均質化によりTi(OBun)4でドープされたNaAlH4で構成される。別の好
ましい実施形態では、本発明の水素貯蔵材料は、乾式均質化によりZr(OPr)4 触媒でドープされたNaAlH4で構成される。More particularly, the present invention provides doping of aluminum hydride with a transition metal catalyst by dry homogenization. Suitable aluminum hydrides that can be practiced in the present method typically have the formula: X 1 AlH 4 , where X 1 is an alkali metal; X 2 (
AlH 4 ) 2 , wherein X 2 is an alkaline earth metal; X 3 (AlH 4 ) 4 , wherein X 3 is Ti
, Zr or Hf; X 4 AlH 6 , wherein X 4 is an alkali metal; X 5 (Al
H 6 ) 2 , wherein X 5 is an alkaline earth metal; X 6 (AlH 6 ) 4 , wherein X 6 is Ti, Z
r or Hf; or any combination of the above hydrides. Examples of such suitable aluminum hydrides include, but are not limited to: sodium aluminum hydride (NaAlH 3 ), sodium aluminum hydride (N
a 3 AlH 6 ), aluminum magnesium hydride (Mg (AlH 4 ) 2 ), aluminum titanium hydride (Ti (AlH 4 ) 4 ), aluminum zirconium hydride (Zr (Al
H 4 ) 4 ). The transition metal catalyst used in the present invention includes titanium, zirconium, vanadium, iron, cobalt or nickel. Suitable catalyst precursor complexes of transition metal and lanthanide metal include, but are not limited to, Ti (OBu) 4 , Zr (OPr) 4 , VO (OPri) 3 , Fe (acac) 2 , Co (
acac) 2 , Ni (1,5-cyclooctadiene) 2 , La (acac) 3 , and mixtures thereof, wherein acac is acetylacetonate and Pri is isopropyl. In one preferred embodiment, the hydrogen storage material of the present invention is comprised of NaAlH 4 doped with Ti (OBu n ) 4 by dry homogenization. In another preferred embodiment, the hydrogen storage material of the present invention is composed of NaAlH 4 doped with Zr (OPr) 4 catalyst by dry homogenization.
【0012】 本発明に従って乾式均質化を行い、遷移金属触媒で水素化アルミニウムをドー
プする。均質化は、例えば乳鉢と乳棒による手動粉砕、好ましくは約15分間;
ミキサー−グラインダーミル中の機会混合、好ましくは約5〜10分の範囲の時
間;又はボーリングにより、好ましくは約5〜20分の範囲の時間;のような機
械的方法で行われる。均質化プロセスは、このプロセスが溶媒又はいずれの水性
媒体も存在しない状態で起こるので、「乾式」とみなされる。好ましくは、この
均質化プロセスは、アルゴン等のような不活性雰囲気下で行われる。According to the present invention, dry homogenization is performed and aluminum hydride is doped with a transition metal catalyst. Homogenization is, for example, manual grinding with a mortar and pestle, preferably for about 15 minutes;
Occasional mixing in a mixer-grinder mill, preferably by a mechanical method such as a time in the range of about 5 to 10 minutes; or by boring, preferably a time in the range of about 5 to 20 minutes. The homogenization process is considered "dry" as it occurs in the absence of solvent or any aqueous medium. Preferably, this homogenization process is performed under an inert atmosphere such as argon or the like.
【0013】 本発明の乾式均質化で用いる遷移金属触媒の量は、特に限定されず、通常所望
の触媒活性を付与するのに有効な量として選択される。例えば、チタン触媒を使
用する場合、触媒効果を得るために、少なくとも0.2モル%のチタン前駆体を水
素化物のドーピングに使用する。最大の触媒効果は、約2.0モル%のチタン前駆
体で観察され、また約2.0モル%以上のチタン前駆体でドーピングしても向上し
ない。チタン触媒で水素化物をドーピングする場合の例示的な好ましい範囲は、
水素化アルミニウムに対して、約0.5〜約1モル%のTi触媒である。ジルコニ
ウム触媒で水素化物をドーピングする場合の例示的な好ましい範囲は、水素化ア
ルミニウムに対して、約0.5〜約1モル%のZr触媒である。[0013] The amount of the transition metal catalyst used in the dry homogenization of the present invention is not particularly limited, and is usually selected as an amount effective to impart desired catalytic activity. For example, when a titanium catalyst is used, at least 0.2 mol% of a titanium precursor is used for hydride doping to obtain a catalytic effect. The maximum catalytic effect is observed at about 2.0 mol% of the titanium precursor, and does not improve when doped with about 2.0 mol% or more of the titanium precursor. Exemplary preferred ranges for doping hydrides with titanium catalysts are:
About 0.5 to about 1 mol% of Ti catalyst based on aluminum hydride. An exemplary preferred range when doping the hydride with a zirconium catalyst is from about 0.5 to about 1 mole% Zr catalyst, based on aluminum hydride.
【0014】 例示的な実施形態では、NaAlH4は、本発明の方法に従って不活性雰囲気
下Ti(OBun)4でドープされ、水素の貯蔵及び放出用の発明材料を生成する。
新規なチタン含有(乾式ドープ)材料は、上記量のTi(OBun)4を新鮮な再結晶
NaAlH4に、アルゴン雰囲気下添加して調製した。最初の無色混合物を、乳
鉢と乳棒を用いてそれらが赤紫色になるまで均質化した。この色の変化は、少な
くともいくらかのTi4+がTi3+に還元されたことを示唆している。生成し
たペーストは、チタン含有(湿式ドープ)材料製造のためのボグダノビックの手順
によって得られる褐色粉末とは視覚的にかなり異なっていた。元素分析により、
本発明の乾式均質化材料には炭素の痕跡しか存在しないことが分かった。明らか
に、アルコキシリガンドからのβ−水素化脱離が、チタン中心からブタナールと
して有機基を解離し、かつNaAlH4ホスト材料上にヒドリドチタン種を析出
させる。新規材料の表面上に非金属性チタンが存在することが、表面のX線研究
によって確認された。このように、乾式均質化法は、NaAlH4の新鮮な粉砕
結晶上にチタン触媒部位を創り出す。重要な利点により、これら乾式均質化材料
は、得られる温度及び適度な圧力で、水素を繰返し貯蔵かつ放出する。一の例示
的実施形態では、本発明の乾式均質化方法は、約80℃〜120℃の範囲の温度
で起こる水素の速い放出によって、約4〜4.5質量%の水素を放出する。In an exemplary embodiment, NaAlH 4 is doped with Ti (OBu n ) 4 under an inert atmosphere according to the method of the present invention to produce an inventive material for hydrogen storage and release.
The novel titanium-containing (dry dope) material, the amount of Ti (OBu n) 4 fresh recrystallization NaAlH 4, was prepared by adding under an argon atmosphere. The initial colorless mixture was homogenized using a mortar and pestle until they became magenta. This color change suggests that at least some of the Ti4 + was reduced to Ti3 +. The resulting paste was visually significantly different from the brown powder obtained by the Bogdanovic procedure for the production of titanium-containing (wet-doped) materials. By elemental analysis,
It was found that only traces of carbon were present in the dry homogenized material of the present invention. Apparently, β-hydrogenation from the alkoxy ligand dissociates the organic group as butanal from the titanium center and precipitates titanium hydride species on the NaAlH 4 host material. The presence of non-metallic titanium on the surface of the new material was confirmed by surface X-ray studies. Thus, dry homogenization method, create a titanium catalytic sites on fresh milled crystals of NaAlH 4. Due to the important advantages, these dry homogenized materials repeatedly store and release hydrogen at the resulting temperatures and moderate pressures. In one exemplary embodiment, the dry homogenization method of the present invention releases about 4-4.5% by weight of hydrogen with a fast release of hydrogen occurring at a temperature in the range of about 80C to 120C.
【0015】 別の例示的実施形態において、発明者らは、本発明の乾式均質化ドーピング法
によってジルコニウム触媒が導入されたNaAlH4の脱水素/再水素化挙動に
ついて調べた。ジルコニウムがNaAlH4の脱水素速度論を向上させることが
見いだされたが、触媒活性はチタンのそれとは異なることが分かった。さらに、
発明者らは、チタンとジルコニウムの異なる触媒効果が呼応して達成されること
見いだした。 TPD測定は、以下の試料について行った:本発明の乾式ドープ材料(「試料
1」);従来技術の湿式ドープ材料(「試料2」);及び従来技術の未ドープNa
AlH4(「試料3」)。異なる時点で調製された試料間で優れた一致が見られた
。試料2に対して得られたデータは、ボグダノビックの知見と一致した。TPD
測定は、3種の材料の試料について行った。図1に示される温度の関数としての
脱離された水素の質量%のプロットは、集積TPDデータに基づく。チタンの触
媒効果は、試料1と2の両方に対して明かであるが、重要な利点により、試料1
の脱水素温度は、試料2よりも約30℃低いことが分かる。[0015] In another exemplary embodiment, the inventors investigated the dehydrogenation / rehydrogenation behavior of NaAlH 4 loaded with a zirconium catalyst by the dry homogenization doping method of the present invention. Zirconium has been found to improve the dehydrogenation kinetics of NaAlH 4, but the catalytic activity was found to be different from that of titanium. further,
The inventors have found that the different catalytic effects of titanium and zirconium are achieved correspondingly. TPD measurements were performed on the following samples: dry dope material of the present invention ("Sample 1"); wet dope material of the prior art ("Sample 2"); and undoped Na of the prior art.
AlH 4 ( "sample 3"). Excellent agreement was found between samples prepared at different time points. The data obtained for sample 2 was consistent with Bogdanovic's findings. TPD
The measurement was performed on samples of three kinds of materials. The plot of mass% desorbed hydrogen as a function of temperature shown in FIG. 1 is based on the collected TPD data. The catalytic effect of titanium is evident for both samples 1 and 2, but due to significant advantages,
It can be seen that the dehydrogenation temperature is about 30 ° C. lower than that of sample 2.
【0016】 試料1と2の脱水素挙動で観察された相異は、単にこの2つの材料のチタン充
填レベルの変化によると考えられる。この可能性を証明するため、1.0、2.0、及
び4.0モル%のTi(OBun)4を用いて調製した試料1と2について独立的にT
PD測定を行い、それぞれ曲線11、12及び13に示した。図2に示されるよ
うに、調製に用いたTi(OBun)4の量の変化は、脱水素温度にほとんど効果を
及ぼさなかった。しかし、材料のチタン含量を増やすと、H/M質量%(すなわ
ち金属アルミニウム水素化物の質量単位毎に導き出される水素の質量)を減少さ
せるという重量効果を示す。これら結果は、材料中に導入されたチタンの一部分
量のみが触媒的に活性であることを示す。さらに、明らかに試料2よりも試料1
にかなり多量の触媒活性チタンがある。乾式ドーピング法は、活性チタン部位の
生成のために、湿式ドーピング法よりも有効であることは明かである。湿式ドー
ピング法の活性は水素化物の表面に限定されるが、乾式ドーピング法は、材料の
大部分に活性なチタン部位を導入すると考えられる。The differences observed in the dehydrogenation behavior of Samples 1 and 2 are believed to be solely due to changes in the titanium loading levels of the two materials. To prove this possibility, 1.0, 2.0, and 4.0 mol% of Ti (OBu n) 4 Sample 1 was prepared using the independently about 2 T
PD measurements were made and are shown in curves 11, 12 and 13, respectively. As shown in FIG. 2, changing the amount of Ti (OBu n ) 4 used in the preparation had little effect on the dehydrogenation temperature. However, increasing the titanium content of the material has the weight effect of reducing the H / M mass% (ie the mass of hydrogen derived per mass unit of metal aluminum hydride). These results indicate that only a portion of the titanium introduced into the material is catalytically active. In addition, Sample 1 was clearly higher than Sample 2
Has a significant amount of catalytically active titanium. Obviously, the dry doping method is more effective than the wet doping method for generating active titanium sites. While the activity of the wet doping method is limited to the hydride surface, the dry doping method is believed to introduce active titanium sites into most of the material.
【0017】 ほとんどの水素貯蔵用途で可逆性は重要な要求なので、繰返しサイクルの際の
試料の挙動を調査した。本発明の試験材料は、200℃、1.1×107Pa(1600psi)
の水素圧下で再水素化された。最初の材料の約40%の水素だけが適度な水素圧
で置換される。そして、その再水素化された試料についてTPD測定を行った。
図3は、その試料から脱離された水素のパーセンテージを温度の関数として示し
ており、1回目のサイクルにおける脱離水素を100%とみなしている。取込み
は、明らかに最初の試料で見られるより少なく、一部の水素化だけがこれら条件
下で得ることができることを示している。試料1の2回目の脱水素サイクルは、
1回目で観察されたのとほぼ同一温度で起こっている。このことは、脱水素がか
なり高温で起こる試料2(従来技術)の脱水素挙動が、2回目のサイクルで試料1
のそれに近づくことと対照的である。Since reversibility is an important requirement for most hydrogen storage applications, the behavior of the sample during repeated cycles was investigated. The test material of the present invention is 200 ° C., 1.1 × 10 7 Pa (1600 psi)
Under hydrogen pressure. Only about 40% of the hydrogen of the original material is replaced at a moderate hydrogen pressure. Then, TPD measurement was performed on the rehydrogenated sample.
FIG. 3 shows the percentage of hydrogen desorbed from the sample as a function of temperature, with 100% desorbed hydrogen in the first cycle. The incorporation is clearly less than seen in the original sample, indicating that only some hydrogenation can be obtained under these conditions. The second dehydrogenation cycle of Sample 1 was
It occurs at about the same temperature as observed in the first run. This means that the dehydrogenation behavior of sample 2 (prior art), where dehydrogenation occurs at a fairly high temperature, was reduced in the second cycle by sample 1
In contrast to approaching it.
【0018】 発明者らは、材料にチタンを導入することによるNaAlH4の脱水素速度論
の向上が、ドーピング方法にかなり影響されやすいことを見いだした。本発明の
新規な乾式ドーピング方法は、以前に報告された湿式ドーピング方法よりも触媒
的に活性なチタン部位の生成においてずっと効果的である。また、湿式ドープ材
料と異なり、乾式ドープ材料の速度論の向上は、数回の脱水素化/再水素化サイ
クルの間中に減少しないことも重要である。この結果は、チタンドープ材料の触
媒効果は、チタンの一部分の量しかホスト水素化物中に導入されないことによる
ことを示している。The inventors have found that the improvement of the dehydration kinetics of NaAlH 4 by introducing titanium into the material is quite susceptible to doping methods. The novel dry doping method of the present invention is much more effective at generating catalytically active titanium sites than the previously reported wet doping method. It is also important that, unlike wet dope materials, the kinetic enhancement of dry dope materials does not decrease during several dehydrogenation / rehydrogenation cycles. This result indicates that the catalytic effect of the titanium doped material is due to the fact that only a partial amount of titanium is introduced into the host hydride.
【0019】 本発明の別の例示的実施形態では、アルゴン雰囲気下、Zr(OPr)4と共に
新鮮な再結晶水素化物を均質化することによってジルコニウムドープNaAlH4 を調製した。このジルコニウムドープ水素化物の試料からの水素の放出を熱プ
ログラム脱離(TPD)によって調べた。その脱離された水素の質量%の温度の関
数としてのプロットが図4に示されている。脱離曲線の不連続性は、式1及び2
に見られるような脱水素反応の活性化エネルギーの差を反映している。チタンド
ープ材料とは対照的に、触媒効果は、NaAlH4のNa3AlH6及びAl(式1
)への脱水素よりも、Na3AlH6のNaH及びAl(式2)への脱水素に対して
の方がずっとはっきりしている。チタンとジルコニウムが化学的に密接に関連し
ていることに鑑みると、それらの最初の触媒効果が脱水素プロセスの異なる反応
に及ぼされることは驚くべきことである。 脱水素は、ジルコニウムドーピングによっても触媒される。チタンドープNa
AlH4について観察されたように、脱水素材料の再充填は、170℃、1.52×1
07Pa(150atm)の水素圧で達成されうる。In another exemplary embodiment of the present invention, zirconium-doped NaAlH 4 was prepared by homogenizing a fresh recrystallized hydride with Zr (OPr) 4 under an argon atmosphere. The release of hydrogen from this zirconium-doped hydride sample was examined by thermal programmed desorption (TPD). A plot of the weight percent of desorbed hydrogen as a function of temperature is shown in FIG. The discontinuity of the desorption curve is given by Equations 1 and 2
This reflects the difference in the activation energies of the dehydrogenation reactions as seen in Figure 1. In contrast to the titanium-doped material, catalyst effect, NaAlH 4 of Na 3 AlH 6 and Al (Equation 1
) Is much more pronounced for the dehydrogenation of Na 3 AlH 6 to NaH and Al (formula 2). Given that titanium and zirconium are closely related chemically, it is surprising that their initial catalytic effect is exerted on the different reactions of the dehydrogenation process. Dehydrogenation is also catalyzed by zirconium doping. Titanium-doped Na
As observed for AlH 4 , the refill of dehydrogenated material was 170 ° C., 1.52 × 1
It can be achieved at a hydrogen pressure of 0 7 Pa (150atm).
【0020】 水素貯蔵材料の重要な局面は、繰返しの脱水素/再水素化サイクル後に果たす
その能力である。特に有利には、脱水素/再水素化の予備的なサイクル後、ジル
コニウム含有材料のTPDスペクトルは優れた再現性を示した。図4に示される
ように、脱水素に必要な温度は、一貫して1回目のサイクルより20℃低い。同
様の挙動が、本発明の均質化方法によって2モル%のチタンでドープされた材料
についての対応試験で観察された。さらに図5に示されるように、脱水素反応に
必要な温度は、予備的脱水素/再水素化サイクル後20℃程度低い。チタンドー
プ材料における100℃での速い脱水素の開始は顕著であり、それは搭載燃料電
池用の水素キャリヤとしてのこれら材料の有用性を示唆している。An important aspect of a hydrogen storage material is its ability to perform after repeated dehydrogenation / rehydrogenation cycles. Particularly advantageously, after a preliminary cycle of dehydrogenation / rehydrogenation, the TPD spectrum of the zirconium-containing material showed excellent reproducibility. As shown in FIG. 4, the temperature required for dehydrogenation is consistently 20 ° C. lower than the first cycle. Similar behavior was observed in corresponding tests on materials doped with 2 mol% titanium according to the homogenization method of the present invention. As further shown in FIG. 5, the temperature required for the dehydrogenation reaction is as low as about 20 ° C. after the preliminary dehydrogenation / rehydrogenation cycle. The onset of rapid dehydrogenation at 100 ° C. in titanium-doped materials is significant, suggesting their usefulness as hydrogen carriers for onboard fuel cells.
【0021】 これら材料の水素容量は、2回目のサイクルで4.5質量%に下がるが、3回目
のサイクルによっても安定している。我々は、以前に本発明の均質化法によって
調製したチタンドープNaAlH4における水素貯蔵容量の同様の安定化につい
て記述した。 金属触媒NaAlH4の開発における進歩の鎖は、種々のドープ材料について
の3回目の脱水素サイクルのTPDスペクトルの比較によって示される。図6に
示されるように、ボグダノビックの方法によってチタンでドープされた水素化物
は、3.2質量%の循環可能水素容量を有している。本発明の均質化方法によるチ
タンドーピングは、第1脱水素反応の速度論をかなり向上させ、かつ循環可能水
素容量を4.0質量%に高める。ジルコニウムドープ材料は、第2脱水素反応の速
度論を向上させ、かつさらに循環可能水素容量を4.5質量%に高める。しかし、
Zrドープ材料の第1脱水素反応の速度論は、本発明のチタンドープ材料の場合
より劣る。The hydrogen capacity of these materials drops to 4.5% by mass in the second cycle, but is stable by the third cycle. We describe a similar stabilization of the hydrogen storage capacity in the titanium-doped NaAlH 4 were prepared by homogenization methods of the present invention before. Chain advances in the development of a metal catalyst NaAlH 4 is indicated by a comparison of TPD spectra third dehydrogenation cycles for various doping materials. As shown in FIG. 6, the hydride doped with titanium by the Bogdanovic method has a recyclable hydrogen capacity of 3.2% by weight. Titanium doping by the homogenization method of the present invention significantly improves the kinetics of the first dehydrogenation reaction and increases the recyclable hydrogen capacity to 4.0% by mass. The zirconium-doped material improves the kinetics of the second dehydrogenation reaction and further increases the recyclable hydrogen capacity to 4.5% by weight. But,
The kinetics of the first dehydrogenation reaction of the Zr-doped material is inferior to that of the titanium-doped material of the present invention.
【0022】 本発明のジルコニウムとチタンの触媒活性の適合性を決定するため、1モル%
のZr(OPr)4とTi(OBun)4の両方と共に均質化したNaAlH4試料を調
製した。そして、この試料を3回の脱水素/再水素化サイクルで安定化した。さ
らに図6を参照すると、チタン/ジルコニウムドープ材料のTPDスペクトルが
、チタンドープ材料についての曲線の第1セグメントと、ジルコニウムドープ材
料についての曲線の第2セグメントと事実上重なることが分かる。このように、
チタンとジルコニウムは呼応して作用し、NaAlH4の脱水素/再水素化挙動
を最適化できる。 発明者らは、NaAlH4の脱水素速度論は、ジルコニウムドーピングによっ
てかなり高められることを見いだした。ジルコニウムはNaAlH4のNa3Al
H6とAlへの脱水素に対する触媒としてはチタンより劣るが、Na3AlH6の
NaHとAlへの脱水素のための優れた触媒である。チタンとジルコニウム触媒
の両方の組合せを含む材料では、両方の触媒効果の利益が認められる。チタン及
び/又はジルコニウムでドープされているNaAlH4は、最初の脱水素/再水
素化サイクル後、4質量%以上の循環可能水素を有して安定化される。最後に、
チタン含有材料の100℃以下での速い脱水素の発生は、搭載燃料電池用の水素
キャリヤとしてのそれらの有用性を示唆している。To determine the suitability of the catalytic activity of the zirconium and titanium of the present invention, 1 mol%
A sample of NaAlH 4 homogenized with both Zr (OPr) 4 and Ti (OBu n ) 4 was prepared. The sample was then stabilized with three dehydrogenation / rehydrogenation cycles. Still referring to FIG. 6, it can be seen that the TPD spectrum of the titanium / zirconium doped material effectively overlaps the first segment of the curve for the titanium doped material and the second segment of the curve for the zirconium doped material. in this way,
Titanium and zirconium act in concert, to optimize the dehydrogenation / re-hydrogenation behavior of NaAlH 4. The inventors have found that the dehydrogenation kinetics of NaAlH 4 is significantly enhanced by zirconium doping. Zirconium is Na 3 Al of NaAlH 4
Although inferior to titanium as a catalyst for dehydrogenation to H 6 and Al, it is an excellent catalyst for dehydrogenation of Na 3 AlH 6 to NaH and Al. Materials containing both combinations of titanium and zirconium catalysts will benefit from both catalytic effects. NaAlH 4 doped with titanium and / or zirconium is stabilized with more than 4% by weight of recyclable hydrogen after the first dehydrogenation / rehydrogenation cycle. Finally,
The onset of rapid dehydrogenation of titanium-containing materials below 100 ° C. suggests their utility as hydrogen carriers for onboard fuel cells.
【0023】 (実験) 以下の実験は、例示目的のみのために提供するものであり、いかなる場合にも
本発明を限定するものではない。 一般的な実験 すべての反応及び操作は、グローブボックス内でアルゴン下、又は酸素及び水
の無い溶媒による標準的なシュレンク(Schlenk)法によって行った。水素化アル
ミニウムナトリウム、NaAlH4は、Aldrich Chemical Inc.から購入し、使用
前にTHF/ペンタンから再結晶した。Ti(OBun)4は、Strem Chemical Inc.
から購入して使用した。「湿式」チタンドープNaAlH4は、ボグダノビック
によって以前に記載されたように、2モルのTi(OBun)4を含むNaAlH4
のエーテル懸濁液からエバポレーションによって調製した。元素分析は、Oneida
Research Service Inc.,Whiesboro,NYによって行った。Experiments The following experiments are provided for illustrative purposes only and do not limit the invention in any way. General experiments All reactions and manipulations were performed in a glove box under argon or by the standard Schlenk method with oxygen and water free solvents. Sodium aluminum hydride, NaAlH 4 were purchased from Aldrich Chemical Inc., and recrystallized from THF / pentane prior to use. Ti (OBu n ) 4 is available from Strem Chemical Inc.
Purchased from and used. "Wet" titanium-doped NaAlH 4, as previously described by Bogudanobikku, 2 moles of Ti NaAlH 4 comprising (OBu n) 4
Was prepared from the ether suspension by evaporation. Elemental analysis, Oneida
Performed by Research Service Inc., Whisboro, NY.
【0024】 チタンドープ材料 グローブボックス内で、NaAlH4(0.54g、10mol)をTi(OBun)4(0.2
6g、0.76mol)と混合した。混合物を、赤紫色のペーストが生じるまで、15分
間乳鉢と乳棒で均質化した。生成した材料の元素分析により、その組成が、C,0
.25%;H,7.01%であることが分かった。この手順で、0.13mL(0.38mol)及び0.5
2mL(1.52mol)のTi(OBun)4を使用しても試料を調製した。 改良シーベルト(Sievert)型装置に基づく熱容積測定分析器(TVA)を使用し
て、水素と水素化アルミニウムナトリウム系との間の気体−固体相互作用を特徴
づけた。TVAは、2つのステンレススチールのParr反応器(モデル452HC-T316)
から成り、一方を用いて試料を保持し、他方を気体貯蔵器として使用し、その間
を非常に少量の正確に測定した体積の水素が移動されうる。試料容器は、2つの
狭い円筒状の穴を有するアルミニウムインサートを含む。その穴のそれぞれの内
側にK型熱電対を置いた。試料の穴は、アルミニウムインサート及び試料間が確
実に緊密に接触されるように設計した。これは、アルミニウムインサートの高い
熱伝導性と相まって、反応熱又は速い圧変化によって生じる試料内の温度変動を
最小化するのに役立つ。試料容器全体は、試料温度を−77〜400℃(196
〜673K)の間に制御かつプログラムするPIDプログラム可能コントローラ
ユニットを用いて加熱及び冷却できる。−77℃(196K)にするために、ドラ
イアイスとアセトンの混合物で取り囲んだ容器内に試料容器全体を入れた。[0024] In the titanium-doped material glovebox, NaAlH 4 (0.54g, 10mol) and Ti (OBu n) 4 (0.2
6 g, 0.76 mol). The mixture was homogenized in a mortar and pestle for 15 minutes until a magenta paste formed. Elemental analysis of the produced material showed that its composition was C, 0
.25%; H, 7.01%. In this procedure, 0.13 mL (0.38 mol) and 0.5
Samples were also prepared using 2 mL (1.52 mol) Ti (OBu n ) 4 . A gas-solid interaction between hydrogen and the sodium aluminum hydride system was characterized using a thermal volumetric analyzer (TVA) based on a modified Sievert-type instrument. TVA has two stainless steel Parr reactors (Model 452HC-T316)
, One being used to hold the sample and the other being used as a gas reservoir, between which a very small, precisely measured volume of hydrogen can be transferred. The sample container includes an aluminum insert with two narrow cylindrical holes. A K-type thermocouple was placed inside each of the holes. The sample holes were designed to ensure intimate contact between the aluminum insert and the sample. This, coupled with the high thermal conductivity of the aluminum insert, helps to minimize temperature fluctuations in the sample caused by heat of reaction or rapid pressure changes. For the entire sample container, a sample temperature of -77 to 400 ° C. (196
67673 K) can be heated and cooled using a PID programmable controller unit that controls and programs. The entire sample container was placed in a container surrounded by a mixture of dry ice and acetone to reach -77 ° C (196K).
【0025】 容器内の水素圧は、高精度圧力トランスデューサーを用いて測定した。種々の
大きさのアルミニウムインサートを利用して、試料上のデッドボリュームを調整
し、全圧力及び圧変化を、変化する試料サイズ及び水素充填に応じて我々の器具
の範囲及び精度内に維持するようにした。試料容器と気体貯蔵器の容積及びそれ
らの間の気体の流れは、水素及びアルゴンによって較正した。 気体システムは、高純度レギュレーター、減圧下又は高圧で多面的に操作可能
な密閉されたVCR、ダイアフラム型遮断弁、及び反応器間の気体の流れを制御
するためのマイクロ弁を使用して構成した。気体ライン及び容器は、インボード
又はアウトボード気体漏れ用の定常基準について試験した。システムの温度及び
圧力は、この仕事用に開発されたソフトウェアを備えたデータ取得システムを使
用して記録した。The hydrogen pressure in the container was measured using a high-precision pressure transducer. Utilizing various sizes of aluminum inserts to adjust the dead volume on the sample and to maintain the total pressure and pressure changes within the range and accuracy of our instruments depending on the changing sample size and hydrogen filling. I made it. The volume of the sample container and gas reservoir and the flow of gas between them were calibrated with hydrogen and argon. The gas system was constructed using a high-purity regulator, a sealed VCR that could be operated multi-sidedly under reduced pressure or high pressure, a diaphragm shut-off valve, and a micro-valve to control the flow of gas between the reactors. . Gas lines and vessels were tested for steady-state standards for inboard or outboard gas leaks. System temperatures and pressures were recorded using a data acquisition system with software developed for this task.
【0026】 3つの各試料の水素脱離速度は、熱プログラム脱離(TPD)法を用いて測定し
た。約0.5gの試料を秤量し、アルゴン雰囲気下高圧反応器中に充填した。そし
て、密封反応器内の圧力にわたって低水素を維持しながら、試料を室温から1分
に2℃の割合で280℃に加熱した。水素脱離の速度は、温度の関数として測定
した。選択された試料についてTPD測定を繰り返し、試料及び測定の再現性を
保証した。The hydrogen desorption rates of each of the three samples were measured using a thermal programmed desorption (TPD) method. About 0.5 g of the sample was weighed and filled in a high-pressure reactor under an argon atmosphere. The sample was then heated from room temperature to 280 ° C. at a rate of 2 ° C. per minute while maintaining low hydrogen over the pressure in the sealed reactor. The rate of hydrogen desorption was measured as a function of temperature. TPD measurements were repeated on selected samples to ensure sample and measurement reproducibility.
【0027】 試薬 すべての反応及び操作は、アルゴン下グローブボックス内で行った。NaAl
H4及びジルコニウムテトラ-n-プロポキシド、Zr(OPr)4(70質量%プロ
パノール溶液)は、Aldrich Chemical Inc.から購入した。NaAlH4は、酸素
及び水の無い溶媒による標準的なシュレンク法によってTHF/ペンタンから再
結晶した。Ti(OBun)4は、Strem Chemical Inc.から購入して使用した。 Reagents All reactions and manipulations were performed in a glove box under argon. NaAl
H 4 and zirconium tetra -n- propoxide, Zr (OPr) 4 (70 wt% propanol solution) were purchased from Aldrich Chemical Inc.. NaAlH 4 was recrystallized from THF / pentane by a standard Schlenk method with a solvent free of oxygen and water. Ti (OBu n ) 4 was purchased from Strem Chemical Inc. and used.
【0028】 ジルコニウム及びチタンドープ材料 グローブボックス内で、NaAlH4(0.54g、10mmol)を、プロパノール中
Zr(OPr)4の70質量%溶液94μLと混合した。まず乳鉢と乳棒によって手
で15分間混ぜ、それからWig-L-Bug電気グラインダー/ミキサーで15分間機
械的に混合して均質化試料を調製した。チタンドープ試料は、Ti(OBun)4(
70μL、0.2mmol)を用いて同様に調製した。チタン/ジルコニウムドープ水素
化物を、Zr(OPr)4及びTi(OBun)4(35μL、0.10mmol)の70質量%溶
液0.047mLと共に均質化した。 Zirconium and titanium doped material In a glove box, NaAlH 4 (0.54 g, 10 mmol) was mixed with 94 μL of a 70% by weight solution of Zr (OPr) 4 in propanol. A homogenized sample was prepared by first mixing by hand with a mortar and pestle for 15 minutes and then mechanically mixing with a Wig-L-Bug electric grinder / mixer for 15 minutes. The titanium-doped sample is Ti (OBu n ) 4 (
(70 μL, 0.2 mmol). The titanium / zirconium-doped hydride was homogenized with 0.047 mL of a 70% by weight solution of Zr (OPr) 4 and Ti (OBu n ) 4 (35 μL, 0.10 mmol).
【0029】 熱プログラム脱離(TPD)測定 改良シーベルト型装置に基づく熱容積測定分析器(TVA)を使用して、水素と
水素化アルミニウムナトリウム系との間の気体−固体相互作用を特徴づけた。T
VAシステムは、PIDプログラム可能温度コントローラユニットを備えた高圧
反応容器を含む。その容器内の水素圧は、高精度圧力トランスデューサーを用い
て測定した。種々の大きさのアルミニウムインサートを利用して、試料上のデッ
ドボリュームを調整し、全圧力及び圧変化を、変化する試料サイズ及び水素充填
に応じて我々の器具の範囲及び精度内に維持するようにした。試料容器と気体貯
蔵器の容積及びそれらの間の気体の流れは、水素及びアルゴンによって較正した
。気体システムは、高純度レギュレーター、減圧下又は高圧で多面的な操作が可
能な密閉VCR、ダイアフラム型遮断弁、及び反応器間の気体の流れを制御する
ためのマイクロ弁を使用して構成した。気体ライン及び容器は気体漏れ用の定常
基準について試験した。システムの温度及び圧力は、この仕事用に開発されたソ
フトウェアを備えた高精度16ビットナショナル機器データ取得システムを使用
して記録した。 Thermal Program Desorption (TPD) Measurement Using a modified volumetric Sievert-type instrument, a thermal volumetric analyzer (TVA) is used to characterize the gas-solid interaction between hydrogen and the sodium aluminum hydride system. Was. T
The VA system includes a high pressure reactor with a PID programmable temperature controller unit. The hydrogen pressure in the vessel was measured using a high precision pressure transducer. Utilizing various sizes of aluminum inserts to adjust the dead volume on the sample and to maintain the total pressure and pressure changes within the range and accuracy of our instruments depending on the changing sample size and hydrogen filling. I made it. The volume of the sample container and gas reservoir and the flow of gas between them were calibrated with hydrogen and argon. The gas system was configured using a high-purity regulator, a sealed VCR capable of multi-sided operation under reduced pressure or high pressure, a diaphragm type shut-off valve, and a micro-valve for controlling gas flow between the reactors. Gas lines and vessels were tested for steady state standards for gas leaks. System temperatures and pressures were recorded using a precision 16-bit National Instrument Data Acquisition System with software developed for this task.
【0030】 試料の水素脱離挙動は、熱プログラム脱離(TPD)スペクトル法を用いて温度
の関数として観察した。試料(約0.5g)を高圧反応器中にアルゴン雰囲気下充填
し、密封反応器内の圧力にわたって低水素を維持しながら、試料を室温から1分
に2℃の割合で280℃に加熱した。選択された試料について、TPD測定を繰
り返し、試料及び測定の再現性を保証した。The hydrogen desorption behavior of the sample was observed using thermal programmed desorption (TPD) spectroscopy as a function of temperature. A sample (about 0.5 g) was charged into a high pressure reactor under an argon atmosphere and the sample was heated from room temperature to 280 ° C. at a rate of 2 ° C. per minute from room temperature while maintaining low hydrogen over the pressure in the sealed reactor. For selected samples, TPD measurements were repeated to ensure sample and measurement reproducibility.
【0031】 要するに、上述の説明及び図面は、可逆的水素貯蔵材料として有用な新規かつ
進歩した材料及びその製造方法の開発を示す。重要な利点として、このような材
料の脱水素及び再水素化が、それらを車用途における水素貯蔵材料として使用可
能にする条件下で起こる。本発明の他の特徴及び利点は、本発明の開示を研究す
る当業者には明かだろう。本発明の特定の実施形態及び実施例の上記説明は、例
示及び説明の目的のためだけに提示したものであり、かつ本発明を特定の上記実
施例によって例証したが、それによって限定されるものと理解すべきでない。そ
れらは、本発明を開示した詳細な形態に消耗させ或いは限定するものではなく、
かつ明らかに上記教示を考えて多くの変形、実施形態、及び変化が可能である。
本発明の範囲は、本明細書に開示したような、また特許請求の範囲及びそれらの
均等物による一般的な範囲を包含するものである。In summary, the above description and drawings illustrate the development of new and advanced materials useful as reversible hydrogen storage materials and methods of making the same. As a significant advantage, the dehydrogenation and rehydrogenation of such materials occurs under conditions that make them usable as hydrogen storage materials in automotive applications. Other features and advantages of the present invention will be apparent to one skilled in the art who studies the present disclosure. The foregoing description of specific embodiments and examples of the present invention has been presented for purposes of illustration and description only, and the present invention has been illustrated by, but is not limited to, the specific above examples. Should not be understood. They do not exhaust or limit the invention to the precise form disclosed,
And many modifications, embodiments, and variations are possible in view of the above teachings.
It is intended that the scope of the invention cover the general scope as disclosed herein and by the appended claims and their equivalents.
【図1】 従来技術の未ドープ及び湿式チタンドープNaAlH4と、本発明の一実施形
態の材料で、乾式均質化チタンドープNaAlH4である場合のものからの水素
の熱的脱離(2℃/分)の比較を示す。FIG. 1: Thermal desorption of hydrogen (2 ° C.) from prior art undoped and wet titanium doped NaAlH 4 and the material of one embodiment of the present invention when dry homogenized titanium doped NaAlH 4. / Min).
【図2】 1、2及び4(0.5x、x、及び2x)モルの遷移金属触媒Ti(OBun)4で調
製された本発明の乾式チタンドープNaAlH4の試料からの水素の熱プログラ
ム脱離(2℃/分)を示す。[2] 1, 2 and 4 (0.5x, x, and 2x) moles of a transition metal catalyst Ti (OBu n) of hydrogen from a sample of the dry titanium-doped NaAlH 4 of the present invention prepared in four thermal program de Release (2 ° C./min).
【図3】 従来技術の未ドープ及び湿式チタンドープNaAlH4と、本発明の一実施形
態であって、脱水素/再水素化の1サイクル後の乾式均質化チタンドープNaA
lH4からの水素の熱プログラム脱離(2℃/分)の比較を示す。FIG. 3. Prior art undoped and wet titanium doped NaAlH 4 and one embodiment of the present invention, dry homogenized titanium doped NaA after one cycle of dehydrogenation / rehydrogenation.
4 shows a comparison of thermal programmed desorption (2 ° C./min) of hydrogen from lH 4 .
【図4】 本発明の別の実施形態の材料で、ジルコニウムでドープされたNaAlH4か
らの熱プログラム脱離(2℃分-1)に及ぼす脱水素/再水素化サイクルの効果を示
す。FIG. 4 shows the effect of a dehydrogenation / rehydrogenation cycle on thermally programmed desorption (2 ° C. min −1 ) from zirconium-doped NaAlH 4 with a material of another embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の均質化方法を用いたチタンドープNaAlH4からの熱プログラム脱
離(2℃分-1)に及ぼす脱水素/再水素化サイクルの効果を示す。FIG. 5 shows the effect of a dehydrogenation / rehydrogenation cycle on thermal programmed desorption (2 ° C. min −1 ) from titanium-doped NaAlH 4 using the homogenization method of the present invention.
【図6】 3サイクルの脱水素/再水素化後の本発明のNaAlH4の種々のドープ試料
からの熱プログラム脱離(2℃分-1)を示す。FIG. 6 shows the thermal programmed desorption (2 ° C. min −1 ) of NaAlH 4 of the invention from various doped samples after three cycles of dehydrogenation / rehydrogenation.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,Z W Fターム(参考) 4G040 AA42 4G066 AA11B AB23D CA38 DA04 FA02 FA37 4G140 AA42 4K017 AA04 BB09 BB10 BB11 DA09 EA02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR , BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS , JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZWF terms (reference) 4G040 AA42 4G066 AA11B AB23D CA38 DA04 FA02 FA37 4G140 AA42 4K017 AA04 BB09 BB10 BB11 DA09 EA02
Claims (20)
方法: 水素化アルミニウム化合物を供給する工程; 触媒として遷移金属化合物を供給する工程;及び 乾燥環境で、前記水素化アルミニウム化合物を、前記遷移金属触媒金属と共に
均質化して、乾式均質化水素貯蔵材料を製造する工程。1. A method for producing a hydrogen storage material, comprising: supplying an aluminum hydride compound; supplying a transition metal compound as a catalyst; and providing the hydrogen in a dry environment. A step of homogenizing the aluminum halide compound together with the transition metal catalyst metal to produce a dry homogenized hydrogen storage material.
の方法。2. The method of claim 1, wherein said homogenizing step is performed in an inert atmosphere.
項1に記載の方法。3. The method of claim 1, wherein said homogenizing step is performed for a time ranging from about 5 to 20 minutes.
モル%比が、約0.2〜2.0の範囲内である請求項1に記載の方法。4. The method of claim 1, wherein the mole percent ratio of said aluminum hydride compound to said transition metal catalyst is in the range of about 0.2 to 2.0.
はアルカリ金属である;X2(AlH4)2、式中X2はアルカリ土類金属である;X3 (AlH4)4、式中X3はTi、Zr又はHfである;X4AlH6、式中X4はア
ルカリ金属である;X5(AlH6)2、式中X5はアルカリ土類金属である;X6(A
lH6)4、式中X6はTi、Zr又はHfである;又は上記のいずれかの組合せ;
で構成されている請求項1に記載の方法。Wherein said aluminum hydride is represented by the general formula: X 1 AlH 4, wherein X 1
Is an alkali metal; X 2 (AlH 4 ) 2 , wherein X 2 is an alkaline earth metal; X 3 (AlH 4 ) 4 , wherein X 3 is Ti, Zr or Hf; X 4 AlH 6, wherein X 4 is an alkali metal; X 5 (AlH 6) 2, wherein X 5 is an alkaline earth metal; X 6 (A
1H 6 ) 4 , wherein X 6 is Ti, Zr or Hf; or any combination of the above;
The method of claim 1, wherein the method comprises:
鉄、コバルト又はニッケル触媒、及びそれらの混合物を包含する請求項1に記載
の方法。6. The transition metal catalyst is titanium, zirconium, vanadium,
The method according to claim 1, comprising an iron, cobalt or nickel catalyst, and mixtures thereof.
オクタジエン)2、La(acac)3、及びそれらの混合物;からなる群より選択
され、式中、acacはアセチルアセトネートであり、かつPriはイソプロピ
ルである、請求項1に記載の方法。Wherein said transition metal catalyst is less: Ti (OBu n) 4, Zr (OPr) 4, VO (OPri) 3, Fe (acac) 2, Co (acac) 2, Ni (1,5- 2. The method of claim 1, wherein the method is selected from the group consisting of: cyclooctadiene) 2 , La (acac) 3 , and mixtures thereof, wherein acac is acetylacetonate and Pri is isopropyl.
移金属触媒がTi(OBun)4である請求項1に記載の方法。8. The method of claim 1 wherein said aluminum hydride is NaAlH 4 and said transition metal catalyst is Ti (OBu n ) 4 .
移金属触媒がZr(OPr)4である請求項1に記載の方法。9. The method of claim 1 wherein said aluminum hydride is NaAlH 4 and said transition metal catalyst is Zr (OPr) 4 .
水素/再水素化プロセスに供し、かつ前記水素化アルミニウムナトリウムを、ジ
ルコニウム又はジルコニウムとチタンの混合物でドーピングすることによって、
前記プロセスを向上させる、水素の可逆的貯蔵方法。10. A method of reversible storage of hydrogen, comprising subjecting aluminum hydride to a dehydrogenation / rehydrogenation process and doping said sodium aluminum hydride with zirconium or a mixture of zirconium and titanium.
A method for reversible storage of hydrogen that enhances the process.
を、前記ジルコニウム又はジルコニウムとチタンの混合物と共に均質化すること
によって行われる、請求項10に記載の方法。11. The method according to claim 10, wherein the doping is performed by homogenizing the aluminum hydride with the zirconium or a mixture of zirconium and titanium in a dry environment.
触媒部位を有する乾式均質化材料を含んでなる水素の貯蔵及び放出用材料。12. A hydrogen storage and release material comprising a dry homogenized material having a dry homogenized doped transition metal catalyst site on an aluminum hydride compound.
ウム、鉄、コバルト又はニッケル及びそれらの混合物を含む組成物を有する、請
求項12に記載の材料。13. The material of claim 12, wherein said transition metal catalyst site has a composition comprising titanium, zirconium, vanadium, iron, cobalt or nickel and mixtures thereof.
請求項12に記載の材料。14. The material of claim 12, wherein said dry homogenized material is titanium doped NaAlH 4 .
である請求項12に記載の材料。15. The dry homogenizing material is zirconium-doped NaAlH 4.
The material according to claim 12, which is:
aAlH4である請求項12に記載の材料。16. The dry homogenizing material is titanium and zirconium doped N.
The material of claim 12 AAlH 4.
脱水素を示す、請求項12に記載の材料。17. The material of claim 12, wherein said dry homogenized material exhibits dehydrogenation at a temperature in the range of about 80-120 ° C.
容量を示す、請求項12に記載の材料。18. The material of claim 12, wherein said dry homogenized material exhibits a recyclable hydrogen capacity of about 4.0% by weight or greater.
用される、請求項1に記載の方法。19. The method of claim 1, wherein the hydrogen storage material is used to power a vehicle device.
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