[发明专利]一种Zr基Laves相储氢合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及储氢合金材料技术领域，具体涉及一种超低平衡压AB₂型Zr-Ti-V-Al储氢合金及其制备方法。 

背景技术

贮氢材料作为一种新型的功能材料和能源，它具有储氢量大、能耗低、环境兼容性好、工作压力低、使用方便等特点。自从20世纪60年代中期发现LaNi₅和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。近年来己被广泛用于氢的储存和运输，氢同位累的分离，温度和压力传感器，镍氢充电电池等领域。 

氢同位素氚和氘在核能领域有着广泛的应用，但其作为放射性氢同位素，在使用过程中必须严格控制。然后，实际操作中难免产生含氚废气，不能直接排放，需进行出氚处理。储氢合金用于除氚装置，具有结构简单，经济方便，安全系数高，和目前主要除氚工艺氢化法相比，不产生二次污染物氚水等优点，锆基Laves相储氢合金以其储氢量大，吸氢平衡压低，易活化等优点，现己部分应用于该领域。锆基Laves相储氢合金虽然吸氢动力学性能较镁系和镧系较好，但还需进一步改进，并且其氢化物过于稳定，不易分解，吸放氢时存在明显的滞后效应。 

Zr基Laves相储氢合金的制备中，合金化是降低其氢化物生成焓的主要途径。一定程度的合金化可以改善Zr基Laves相储氢合金的吸放氢动力学性能，且可以在吸放氢反应温度上起到关键的催化作用。通过调整合金中吸氢和不吸氢元素的比例以及M-H键强度，改善吸放氢热力学和动力学性能，提高合金的吸放氢量。通过调整合金的晶体结构，控制合金吸放氢平台压力和滞后性能。通过改变合金的表面成分和结构，改善合金导电性能和电催化性能，以及改善合金的抗腐蚀能力，提高合金循环寿命。 

金属Al被证实能够有效地提高Zr基合金的吸放氢动力学性能，同时添加Al元素可以降低合金氢化物的稳定性。采用Al替代V，有望提高Zr基Laves相储氢合金的吸放氢动力学并改善其吸放氢过程中的滞后效应。 

发明内容

为克服现有技术中存在的AB₂型Zr基Laves相储氢合金吸氢动力学性能的不足，吸放氢滞后性过大，本发明提出了一种Zr基Laves相储氢合金及其制备方法。 

本发明所述Zr-Ti-V-Al储氢合金由核级海绵Zr块、Ti板和V晶体，按化学式Zr_0.9Ti_0.1(V_0.75～0.98Al_0.25～0.02)₂配制而成；所述的比例为原子比。 

所述核级海绵Zr块的纯度为99.4%，所述Ti板的纯度为99.97%，所述V晶体的纯度为99.5%。 

本发明还提出了一种制备Zr基Laves相储氢合金的方法，材料制备方法具体如下： 

步骤1，熔炼。将配制好的储氢合金原料放入水冷铜坩埚内，采用真空非自耗电弧熔炼炉进行熔炼，并翻转熔炼4次以保证成分均匀。得到储氢合金锭。熔炼中，真空度为6×10^-3Pa，充入氩气作为保护气氛。 

步骤2，真空退火，将熔炼好的储氢合金锭分别用丙酮，无水乙醇洗除去表面的油污，然后将储氢合金锭装入石英管，预先在低温下将石英管烘烤除气，密封前用高纯Ar气反复清洗三次，然后进行抽真空处理，当真空度达到10^-4量级时，完成石英管的密封，封装好的样口如图1所示。将封装好的储氢合金锭放入箱式电阻炉中，真空条件下加热至1273并保温168小时。保温结束后随炉冷却以均匀化退火，得到储氢合金。 

本发明是在AB₂型ZrV₂合金基础上，分别用Ti元素替代A侧Zr元素，用Al替代B侧V元素，优点具体如下： 

1、在储氢合金制备方面，储氢合金锭是通过非自耗电弧熔炼，在水冷铜坩埚进行的，由于冷速较快，凝固过程属于非平衡凝固，合金反应不完全，铸态合金中往往会存在包晶反应残余相。而通过进一步长时间的均匀化退火处理，使合金中的富钒固溶体相和α-Zr相进一步发生固溶反应，合金得到较均匀的Laves相。 

2、该方法制备Zr-基储氢合金工艺简单易行，效率高，对设备要求低，成本低。 

3、Al元素的添加增加了氢原子的扩散通道，加快了氢分子在合金表面分解成氢原子，因此提高了ZrV₂合金吸放氢动力学性能。Al元素可以减低合金氢化物的稳定性，改善储氢合金在吸放氢过程中的滞后效应，其性能如图2和图3。