金属储氢材料与材料设计研究进展

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1、金属储氢材料与材料设计研究进展黄维军，材料科学与工程学院，20100108摘要基于储氢材料在氢能利用中的重耍作用，通过从材料结构角度，对当前品态储氢合金、非晶储氢合金、纳米储氢合金三大类金属储氢材料的研究现状和存在问题进行总结和分析，探讨了合金相图和现代材料设计方法在金属储氢材料研究中的作用和地位。当前研究工作表明，非平衡态结构调控是获得高性能储氢合金的有效途径.基于原子尺度的材料计算与设计，对新型金属储氢合金的研究和储氢机理探讨具有重要作用。关键词：储氢合金；非晶态；合金相图；材料设计；第一性原理Recentprogress

2、onmetalhydridesandtheapplicationofmodelmaterialdesignHuangWei-jun,SchoolOfMaterialsScienceAndEngineering,20100108AbstractHydrogenstoragematerialspalyimportantrolesintheapplicationofhydrogenenergy,InViewofmicro-structure,recentdevelopmentofthreetypemetal-basedmateria

3、ls(crystalline,amorphousalloy,nano-sizedalloy)wasdiscussedextensivelyinthepaper,aswellasrelatedstudyofphasediagramandmaterialdesignmethodsbasedonfirst-principlecalculations,manyreportssupportedthatmetal-basedalloyswithamorphous/nanostructureshowdifferenthydrogenstor

4、agepropertiesfromthatwithcrystalstructure,materialdesignandcalculationinatom-sizewillbenefitthedevelopmentofnewmetal-basedalloysandtheunderstandingofthemechanismofhydrogenstorageinalloys.Keywords:hydrogenstoragealloy;amorphousstructure;phasediagram;materialdesign;fi

5、rst-principlecalculations氢是高能清洁燃料，又是理想的二次能源载体⑴。随着社会发展、人口增长,人类对能源的需求将越来越大。以煤、石油、天然气等为代表的化石能源是当前的主要能源，但化石能源展不可再生资源，储量有限，而且化石能源的大量使用，还造成了越来越严重的环境污染问题。因此，可持续发展的压力迫使人类去寻找更为清洁的新型能源。氢能作为一种高能量密度、清洁的绿色新能源，氢能的如何有效利用便引起了人们的广泛研究。然而，目前看来，由于缺少有效的储氢技术，阻碍了氢能的广泛应用。传统的液态、高压气态储氢既不经济也不

6、安全，而金属基储氢合金（金属氢化物）的出现为氢的存储开辟了一条新的途径。金属基储氢合金具有储氢体积密度大、安全、储运方便等特点，成为当前金属基功能材料研究开发的热点之一。金展储氢材料按材料结构可分为晶态储氢合金、非晶态合金、纳米储氢合金。储氢合金非晶化、纳米化后储氢性能发生显著改变，岀现新性能和新现象⑵，这些为新型高性能储氢材料的研究提供了新思路。本文基于储氢材料结构特征，结合相图和现代材料设计的应用，对当前金属储氢材料的研究现状及进展进行了总结和分析，并对研究中存在的关键问题和热点问题进行了讨论。1金属储氢材料1・1储氢合金

7、储氢合金按氢的结合方式可分为两大类：一类是合金氢化物材料，另一类是金屈配位氢化物材料。迄今为止，趋于成熟和具备使用价值的储氢合金主要有稀土系、镁系、钛错系及锐系等几大系列⑶，其开发已有很长的历史，为满足各种性能的要求，人们已经在二元合金的基础上，开发出三元、四元乃至多元合金，其研究进展已有不少报道，总体而言，室温下容易放氢的储氢合金，可逆质量氢密度不超过2%,主要应用于镰氢电池，难以满足燃料电池电动车及其它新的应用，储氢合金的非晶化、纳米化成为将来研究的重点。金属配位氢化物是现有储氢材料中体积和质量储氢量最高的金属储氢材料。金

8、属配位氢化物的缺点主要有：(1)配位氢化物主要采用机械球磨和有机液相反应合成，合金产物的纯度很难保证，最高只能达到90%〜95%；(2)放氢动力学和可逆吸放氢性能差；(3)配位氢化物多步吸放氢使实际储氢量和理论储氢量有较大差异，解决这些问题的办法一般是加入合适的催化剂。Bog