[发明专利]一种掺杂多主元贮氢合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种掺杂多主元贮氢合金及其制备方法，该合金成分为(Ti_aZr_bHf_c)_x(A_dB_e)_yM，其中元素M为Au、Pd、Pt中任意一种，其中元素A、B分别为W、Mo、Nb、Al、Sc中的任意一种；该制备方法按以下步骤完成：制备由活性金属元素M制成的活性金属元素M金属丝；称取各类金属颗粒及金属丝；将所述活性金属元素M金属丝缠绕在金属颗粒上；将所述金属颗粒和金属丝放入真空电弧熔炼炉的样品腔室的铜坩埚中；对所述金属颗粒和金属丝进行熔炼，直至所述金属颗粒和金属丝溶解均匀，得到掺杂多主元贮氢合金；将所制备的多主元贮氢合金退火处理。本发明使用了微量元素掺杂技术，使得多主元贮氢合金储氢量提高高达54.7％，且活化性能得到明显提升。

技术领域

本发明涉及多主元贮氢合金领域，具体涉及一种掺杂多主元贮氢合金及其制备方法。

背景技术

开发清洁高效的绿色能源将是解决能源危机与全球变暖的重要手段。尽管氢气是一种清洁高效的绿色能源，是化石燃料重要的替代品。但氢能的实际应用仍然面临这许多困难。而制约氢能利用最关键的技术瓶颈之一，就是氢气的储存与运输。相比于高压气态储氢、液态储氢，固态贮氢同时兼具了高贮氢密度、高安全性以及价格相对低廉的优势，是一种十分有前景的技术。尽管如此，传统的贮氢合金也存在一些不足之处，使得贮氢合金的大规模运用仍然难以实现。如Mg及其合金，其放氢动力学性能缓慢，放氢温度较高。而ZrCo合金存在歧化效应，这将导致ZrCo合金性能的衰减。TiFe虽然成本低廉，但其储氢量不高，且活化困难。LaNi5虽然易于活化，且动力学性能较好，但储氢量仍然达不到使用需求。因此，发展具有优异储氢性能的新型贮氢合金是实现氢能利用的关键基础。

多主元合金一般具有四种及以上金属组元，其多元素种类及成分比例的可调节性，使得其在新型贮氢合金的开发上有更多的可能性。多主元合金具有一些独特晶格特征，如严重的晶格畸变使得其有可能具有与传统合金完全不同的性能。对TiVNb，TiVZrNb，以及TiVZrNbHf多主元合金及其氘化物的研究表明多主元合金的氘原子占位与其晶格畸变有着非常重要的关系。TiZrHfVNb高熵合金中的晶格畸变提供了更多包容氢的间隙位置，贮氢容量得到提高。虽然多主元合金具有优异的氢化性能以及易于调控的优异特性，但目前多主元贮氢合金中存在的如贮氢量较低、活化性能较差等问题成为了限制其发展的关键因素之一。因此急需发展一种针对多主元合金的贮氢性能提升技术。

为了解决上述问题，研究人员采用了元素成分比例调节、复合材料、添加催化剂、元素掺杂等多种技术。其中元素掺杂是提升储氢合金的储氢量、活化性能、动力学性能的重要手段。研究表明La、Ce、Ho掺杂的Ti_1.02Cr_1.1Mn_0.3Fe_0.6合金相比掺杂前晶格常数更大，储氢量提高约10%；同时，掺杂也给氢原子的扩散提供了更多的通道，使得其活化性能也大大提升。另外，关于Nd掺杂的Nd_4.3Mg_87.0Ni_8.7合金的研究发现合金在氢化过程中原位形成了NdH₂-Mg-Mg₂Ni复合结构，大量的晶界给氢原子扩散提供了通道，从而提升了其动力学性能。对于贮氢合金而言，元素掺杂能够提升其动力学性能，降低氢化物的热稳定性，但是对储氢量的影响却极其有限。最近，研究发现用Pd对ZrCo合金进行表面修饰可以大大降低其吸氢活化能，从而提升其动力学性能，Pd在其中起到了催化H₂解离的作用。但是Pd修饰的ZrCo合金的储氢量却没有明显提升。