Ti基复相结构储氢合金的制备及储氢性能研究

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TiFe合金作为AB型储氢合金的典型代表,具有较高的理论储氢容量并且在室温下也拥有较理想的可逆吸放氢性能,合金熔炼所需原材料的来源也极为丰富,因而制备成本较低。但是,TiFe合金的活化条件非常苛刻,而且合金吸放氢间的滞后现象也较严重,这些问题阻碍了TiFe合金的进一步商业化应用。本论文采用真空电弧熔炼以及真空感应熔炼等制备手段,通过元素替代以及构建复相结构材料等方法,获得优异活化性能的TiFe基储氢合金,对储氢合金的成分、相结构和表面形貌进行分析表征,对材料的储氢性能以及动力学性能进行测试分析并研究了静态氢压缩用Ti基储氢合金的储氢和压缩性能。研究表明,通过采用Mn元素对TiFe合金B侧Fe元素进行部分取代所制备的Ti-Fe-Mn三元合金的主相仍为TiFe相,但是随着Mn元素的加入会导致合金的晶胞参数不断在增大,同时会使得TiFe0.7Mn0.3和TiFe0.6Mn0.4合金的XRD图谱中会出现TiMn2相的特征峰。TiFe0.6Mn0.4合金拥有最优的活化性能,在393K温度下首次活化就能在很短孕育期内达到1.1wt.%储氢量。合金的最大储氢量随Mn元素的加入呈先增加后减小的变化规律,其中TiFe0.8Mn0.2合金的储氢量最大,在303K温度下为1.71wt.%。但Mn元素的加入还会导致合金的吸放氢平台斜率的增加,而且合金的吸放氢平台压力也会逐渐降低。在Ti-Fe-Mn三元合金研究的基础上,本文进一步采用构建复合材料的方法对合金的活化性能进行优化,选用TiFe0.8Mn0.2合金和活化性能优异的MmNi5合金制备了摩尔比为1:y(y=0.005,0.01,0.015,0.02)的TiFe0.8Mn0.2+yMmNi5(Mm=La,Ce,Y,Pr,Nd)复相结构合金。当摩尔比大于等于1:0.015时,合金在303K温度下就能完全活化,储氢量可达1.2wt.%。制备的合金摩尔比达到1:0.02时,合金的XRD图谱中出现LaNi5的特征衍射峰,合金的活化性能得到了进一步的优化。但是MmNi5合金的加入会降低合金的最大储氢量,例如摩尔比为1:0.02的合金的储氢量仅为1.25wt.%(303K)。据分析,复相结构合金在活化时,氢气首先在合金表面进行物理吸附,此时合金表面聚集的La会优先活化并形成La-H化合物,随后H扩散转移进入La-Ti过渡区域,最后进入合金的内部形成氢化物完成合金的活化过程。本论文还对Ti基储氢合金的实际应用展开探索,制备了适用于双级静态氢压缩机用的Ti基高低压储氢合金,并对其制备工艺条件进行了探索。计算表明,低压级合金的压缩比达6.92,高压合金的压缩比达5.94,在298K下吸收氢压为2.6MPa,升温到373K下理论上能达到66.5MPa。
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