M掺杂对ZrCr0.6Fe1.2M0.2贮氢合金的晶格结构及性能的影响.pdf

M掺杂对ZrCr0.6Fe1.2M0.2贮氢合金的晶格结构 及性能的影响 王峰，马艳红 中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院(430074) E-mail ：wf0912@163.com 摘 要：研究 了AB 贮氢合金的晶体结构与贮氢性能之间的相互关系,并以ZrCr0.6Fe1.2M0.2 2 为例，通过对用不同取代元素M制备的ZrCr Fe M 贮氢合金的贮氢平台压力、平台斜率及 0.6 1.2 0.2 其贮氢过程热力学的研究,比较了不同取代元素对母合金晶格结构及贮氢性能的影响，以发 现具有实用价值的贮氢合金必须满足一定的结构要求,其贮氢性能与金属原子的半径比,电 子层结构以及它们与氢的亲合力有密切关系。 关键词：贮氢合金 贮氢材料 金属氢化物 贮氢性能 晶格结构 ·1. 引 言 贮氢合金是一种能在晶体的空隙中大量贮存氢原子的合金材料。这种合金具有可逆吸放 氢的性质。它可以贮存相当于合金 自身体积上千倍的氢气,其吸氢密度超过液态氢和固态氢 的密度,既轻便又安全,显示出无比的优越性,因而引起了人们的极大关注[1][12]。近年来,世界 各工业强国都投入大量的人力,物力研究贮氢合金材料。本文分析和研究了AB2贮氢合金的晶 体结构与贮氢性能之间的相互关系, 并以ZrCr Fe M 为例，确证具有实用价值的贮氢合金 0.6 1.2 0.2 必须满足一定的结构要求,其贮氢性能与金属原子的半径比,电子层结构以及它们与氢的亲 合力有密切的关系。 ZrCr Fe 是一种性能优良的贮氢材料，其具有贮氢量大、易活化、吸放氢过程速度快 0.6 1.4 等特点,其中的Fe和Cr在氢气氛中还原后,表面部分 可以促进分子氢的分解,并使原子氢通过次表面的 Fe 和 Cr 扩 散 到 体 相 [3] 。 本 文通 过 取 代 元 素 M(M Mn,Fe,Co,Ni,Cu),对母合金ZrCr Fe 中部分 0.6 1.4 Fe的取代,以进一步了解贮氢合金的贮氢过程及机 理。 ·2. 贮氢原理与结构要求 贮氢合金是以氢化物的形式贮存氢的,事实上,金 属或合金在适当的温度或压力下都会按照下列反应 式与介质中的氢气反应生成氢化物。 图 1 LaNi 的p-X-T 5 M+H →MH +∆H 2 2 -1- 此反应是放热反应并且是可逆的。通过大量的实验,人们发现,在门捷列夫元素周期表中第Ⅱ A及ⅢB-ⅤB族元素能大量吸收氢生成氢化物,而第ⅥB-ⅧB族元素的吸氢量少,在通常情况下, 一般不容易生成氢化物[4],因此,为获得适当的离解压力,人们常常把ⅡA及ⅢB-ⅤB族过渡金 属与Ⅵ-ⅧB族过渡金属组成合金来作为贮存氢的材料,如La-Ni 合金,Ti-Fe 合金,Ti-Mn 合 金,Zr-Mn合金和Mg-Ni合金都属于这一类型。氢在贮氢合金上的吸附行为可用压力一组成等 温线表示,如图 1 所示,首先,少量的氢简单地溶解在金属中,在这一步骤中,氢以原子氢的形式 存在于金属晶格的空隙中。 随着与金属接触的氢气压力的增加,越来越多的氢原子被迫进入金属中,这导致了氢压的 突然增加。在特定压力下,氢化反应开始,金属氢化物也开始形成,金属在接近等压下吸收大量 的氢。在这个区域,金属氢化物(B相)和用氢饱和的金属(A相)共存,当所有的A相转变