[发明专利]一种Zr-Ti-Cr-V复相储氢合金及其制备方法

说明书

一种Zr‑Ti‑Cr‑V复相储氢合金及其制备方法。所述储氢合金由Zr、Ti、Cr和V元素组成，其原子比为1：0.2～0.6：0.1～0.6：1.8～2.1。本发明通过非计量比的成分设计，经过真空热处理，使合金中形成了具有特定比例的C15型Laves相、富V固溶体以及富Zr固溶体共存的复相结构。本发明系列合金室温吸氢量可达2.80wt％，具有优异的吸氢动力学性能。

技术领域

本发明涉及储氢材料领域，具体是一种Zr-Ti-Cr-V储氢合金。

背景技术

氢气的安全高效存储是氢能的发展和利用过程中的重要一环。氢气的存储方式有高压气态储氢、液态储氢以及利用储氢材料来储氢。其中，气态储氢方式的储氢密度较低，安全性不高；液态储氢方式耗能高、成本高、对储罐绝热性要求高；而利用储氢材料通过物理或化学反应来吸收氢气是一种新兴的储氢方法。储氢合金由于具备储氢密度高、可逆吸放氢、安全可靠等优点，是目前发展较快、研究较广的一类储氢材料。已经研究开发的储氢合金包括AB₅型稀土合金、AB₂型Laves相合金、AB型Ti合金、V基固溶体合金、以及A₂B型Mg-Ni合金等系列。

AB₂型Laves相储氢合金主要以Zr、Ti为合金A侧元素，B侧元素包括V、Cr、Mn、Co、Fe等元素中的一种或几种，具有C14或C15型Laves相结构。相对于其他合金系列，Laves相合金具有易活化、吸氢动力学较快等优点，室温吸氢量可达2％左右，吸放氢平台压较低。在Zr基AB₂型Laves相合金中，ZrV₂合金具有最高的室温吸氢量(其饱和氢化物ZrV₂H₆的储氢质量分数为3.01wt％)以及极低的吸氢平台压(10^-6pa，50℃)(Sandrock G.Appl.Phys.A,2001；72:153-5)。

众所周知，铀被广泛地使用在氢同位素—氘、氚的储存、供给和回收，但是它的放射性和自燃性始终无法回避，合适的替代材料的开发一直没有间断。ZrV₂合金极低的吸氢平衡压和高的氢化物稳定性赋予其优异的对氢及其同位素的捕获和稳定储存能力，使其成为在如国际热核试验反应堆等氚加工设备上应用的合适候选材料；同时也能作为非蒸散型吸气剂使用，提高并维持系统中的高真空度。但ZrV₂合金的理论最大吸氢量很难获得，实验中，在1个标准大气压的氢压下，ZrV₂合金的室温吸氢量为2.43wt％(PeblerA.Electrochem Tech.1966；4:211-5)；并且吸放氢之间有明显的滞后现象，使热力学效率降低；在需要快速吸氢的应用环境下，ZrV₂合金的吸氢反应动力学仍需进一步提高。

众多的研究工作表明，合金化仍是改善储氢性能的主要有效手段之一。在AB₂型Laves相合金ZrV_2-x-yMn_xNi_y中，随着Mn、Ni元素对V取代量的增加，金属与氢之间的相互作用减少，使氢得扩散速率增加；但合金的单胞体积逐渐减小，导致吸氢量降低(IwakuraC.Electrochim Acta.1996；41:2691-4)。Kandavel等人对AB₂型Zr基储氢合金的研究表明过计量比成分的合金拥有较大的吸氢动力学和吸氢量，以及较高的平台压(Journal ofPhysics-condensed Matter.2003；15:7501-17)。Ti部分取代Zr的欠计量比(Zr-Ti)(Mn-V-Ni)合金中，随着Ti取代量的增加，Laves相单胞体积收缩，使合金可逆吸氢量减小(Lee S-M.J Alloy Compd.2000；308:259-68)。Ti合金化的Zr_0.9Ti_0.1V₂合金，相较与ZrV₂合金，提高了吸氢反应速率，降低了吸放氢滞后,但室温吸氢量有所降低(Yang XW.Int.J.HydrogenEnergy.2011；36:9318-23)。