Ti-V基储氢合金及其氢化物的物相结构与组分优化设计.pdf

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1、第32卷第11期应用化学Vo1．32Iss．112015年11月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYNOV．2015Ti-V基储氢合金及其氢化物的物相结构与组分优化设计朱劲波马立群梁飞苗迎春。王立民¨(南京工业大学材料科学与工程学院南京210009；中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室长春130022)摘要Ti—V基储氢合金在室温、常压下即可表现出良好的储氢特性，且质量储氢容量明显高于传统AB型储氢合金，从而在氢气的精制和回收、运输和储存及热泵等方面有较早的应

2、用。此外，在混合气体分离、核反应堆中处理氢的同位素、镍氢电池及燃料电池负极材料等方面也得到了广泛的研究与关注。基于目前Tj-V基储氢合金的研究现状，概述了该类合金的优势、限制性因素(包括成因)及改性手段。此外，为了进一步理解Ti．V基合金储氢机理、构建合金组分与储氢特性之间的对应关系，本工作重点围绕—V基储氢合金及其氢化物的结构、组分优化设计展开综述，并对其未来研究方向做出展望。关键词Ti—V基合金；储氢；物相结构；优化设计中图分类号：O614文献标识码：A文章编号：1000-0518(2015)11．1

3、221—10DOI：10．11944／j．issn．1000-0518．2015．11．150113金属氢化物是目前化学储氢材料中研究最为广泛的材料类别之一，主要包含间隙金属氢化物以及轻质金属氢化物。其中，间隙金属氢化物可以分为6类：AB、AB、AB：、AB、AB、Ti．V基固溶体。“A”主要对应于可以生成稳定氢化物的金属元素，而“B”则对应于生成非稳定氢化物的过渡金属元素。该类材料的主要特点是有良好的储氢热力学特性，大都处在放氢焓变△日=20～50kJ／toolH’的可逆区间，具有良好的储氢可逆性。轻质

4、金属氢化物则主要包含MgH、A1H，等，其中MgH：、A1H的放氢焓变△日分别为66—75kJ／molH：、5～8H／molH，前者相对稳定，而后者不稳定，且A1H还有不可逆(难以再生)等问题。典型的金属氢化物及其储氢特性如表1所示_2J。从表1可以发现，Ti．V基固溶体储氢合金在室温、常压下即可表现出较佳的储氢特性。表1典型金属氢化物特性Table1Propertiesoftypicalmetalhydrides[2015-03-24收稿，2015-05-04修回，2015-06-26接受江苏省科技支撑

5、计划一工业部分(BE2012047)通讯联系人：马立群，教授；Tel：025~3587243；Fax：025—83240205；E-mail：mMiqun@njtech．edu．cn；研究方向：储氢合金、非晶态合金和纳米金属共同通讯联系人：王立民，研究员；Tel／Fax：0431·85262447；E-mail：lmwang@ciac．ac．ca；研究方向：储氢材料，电池材料，功能复合材料应用化学第32卷除此之外，Ti—V基储氢合金还有着以下优点：较高的体积储氢容量(VH的体积储氢容量为0．16g／cm，

6、约为液态氢气的2．25倍)，理论上为3．8％左右，质量储氢容量明显高于传统AB型储氢合金。还具有良好的动力学特性。Ti、V元素能够以任意比例形成固溶体合金，且与H：不会发生歧化反应。鉴于Ti-V基储氢合金的上述优点，其在氢气的精制和回收、运输和储存、热泵等方面有较早的应用。此外，在}昆合气体分离、核反应堆中处理氢的同位素_6]、镍氢电池及燃料电池负极材料]、脱氢催化剂方面也有得到了广泛的研究与关注。1Ti—V基储氢合金的限制因素及改性方法1．1Ti—V基储氢合金的限制因素及成因尽管Ti-V基储氢合金存在着

7、诸多优点，但不足之处也较为明显：通常V能够与H形成3种产物，即，固溶体、单氢化物(VH)、双氢化物(VH：)，分别称为、卢和y相，从而在PCT曲线上通常会出现两个平台(H的固溶不产生平台)，Papathanassop0ulos和Wenzlll报道，其中的高压力平台在263K下为10Pa，低压力平台在353K下仅为10Pa，这意味着低压平台在自然环境条件下难以得到有效利用。Ti—V基固溶体(体心立方)也通常有两个差异较大的压力平台，导致其可逆储氢量一般不超过3．O％，达不到美国能源部提出的车载储氢要求。因此

8、，提升Tj—V基固溶体合金的储氢容量主要在于如何解决对稳定的单氢化物(低压平台)的利用。除此之外，Ti-V基储氢合金还存在一些其它限制因素。例如：1)活化性能欠佳，一般需要高温处理或数次吸放氢循环后才可达到最大吸氢量。Ti．V基储氢合金的活化性能的影响因素主要为¨：A．表层氧化膜(高温处理或多次吸放氢后可以去除)；B．合金物相结构(含有少量Laves相的Ti—V基合金一般具有较好的活化特性)。2)吸放氢平台的倾斜度较大。Ti—