一种轻质高熵储氢合金及其制备方法和应用技术

本申请涉及一种轻质高熵储氢合金及其制备方法和应用，所述轻质高熵储氢合金的制备采用等离子体球磨法，通过分步球磨的策略，制备一种具有良好室温储氢性能的

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高熵储氢合金及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及材料科学和工程领域，尤其是一种轻质高熵储氢合金及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]氢能具有能量密度高
、
资源丰富和环境友好等优点，备受国内外研究者关注
。
作为二次能源，氢能可作为太阳能和风能等可再生能源的载体，实现清洁能源的高效利用
。
中国作为世界第一产氢大国，推动氢能全产业链的发展对我国进一步实现碳达峰碳中和的目标至关重要
。
当前，安全
、
高效的储氢技术是氢能开发和利用的关键瓶颈之一
。
由于具有较高的体积储氢密度
、
安全性好和易获得高纯氢等优点，以固态形式储存氢气的储氢合金在众多储氢材料中脱颖而出
。
在实际应用过程中，通常要求储氢合金可在室温条件下可逆的储存氢气
。
然而，室温储氢合金通常具有较低的重量储氢密度（约
2wt%
），严重制约了合金的实际应用，因此，亟待开发具有更高储氢密度的轻质储氢合金
。
近年来，针对高熵储氢合金的研究拓宽了储氢合金的研究领域
。
已有许多国内外研究者报道了具有室温储氢能力的高熵储氢合金，但大多数高熵储氢合金均采用过渡金属元素和难熔金属元素，因而储氢量较低
。
[0003]轻质金属如 Li、Al 和 Mg 的密度分别为 0.53/cm3、2.70/cm3和 1.74g/cm3，而过渡金属如 V、Cr 和 Zr
的密度分别为 6.11/cm3、7.15/cm3和 6.49g/cm3。
相比之下，
Li、Al 和 Mg 等轻质金属元素通常具有较高的重量储氢密度，其理论重量储氢密度分别达到
12.6wt%、10wt%
和
7.6 wt%
，远高于难熔金属
(1
‑
3 wt%)。
然而，由于轻质金属往往具有较高的吸放氢热力学稳定性或较差的吸放氢动力学性能，因此通常存在常温常压下吸放氢不可逆，放氢温度高，吸放氢速率慢等问题
。
这类金属中的氢常以离子的形式存在，其氢化物通常为离子型氢化物，如 MgH2和
LiH
，因而金属与氢的结合较强
。
而 Ti、V 等过渡金属尽管密度大，储氢量低，但其组成的金属或合金通常具有良好的可逆性
、
热力学性质或吸放氢动力学；这类合金中的氢主要是以固溶在合金中的原子的方式存在，部分氢原子会带有电荷
。
氢进入间隙后，往往会伴随着晶格膨胀，晶格膨胀程度与溶解的氢浓度成比例，金属或合金与氢之间的结合力较弱
。
如日本国立材料与化学研究所的 Akiba 教授报道的 Ti
‑
V 和
Ti
‑
V
‑
X (X=Fe,Mn,Co,Cr,Ni)
合金，仅在室温和一个大气压的条件下，其重量储氢密度即可超过 2 wt%
，并具有较快的吸放氢速率
。
因此，许多研究者采用与氢结合较强的轻质金属和与氢结合较弱的过渡金属合金化的方式，来改善
Al
和
Mg 等轻质金属元素的热力学和动力学性质，以降低材料与氢元素之间的结合能
。
例如，添加过渡族元素到纯镁或镁基合金中，一般可以降低吸放氢反应的热效应，改善吸放氢动力学性能，如 Mg2Ni、Mg2Fe、Mg2Co
等
。
但对高熵合金而言，利用轻质元素和过渡金属相结合形成轻质高熵合金是较为困难的，由于这两类金属原子半径
、
电负性差异等，难以形成单相固溶体；且这两类金属熔点相差很大，如轻质元素 Li、Mg 分别为 180℃、650℃
，而过渡金属 Ti、V 的熔点为 1668℃、1890℃
，难以采用常规方法（如熔炼法和粉末冶金法）制备
。
因此，可采用球磨法等机械合金化的最新方法，将 Al、Mg 等轻质元素与 Ti、V 等过渡金属元素结合，已有研究表明，采用球磨法，以
Mg
和
Al
等轻质元素为主元，可以制备含
Mg
或含
Al
轻质高熵储氢合金
。
在此基础上，本专利技术进一步采用密度更低的
Li
元素，同时采用轻质金属元素
Mg
和
Al,
结合合金化效果更好的摆振式等离子体球磨，制备了具备室温储氢性能的
LiAlMgTiV
等原子比轻质高熵储氢合金
。
[0004]相比于
Ti、V
等硬度较高的金属，
Mg、Al
等较软的金属易于在球磨过程中发生冷焊，使得粉末结块并粘附在球磨罐壁中，影响纯金属粉末的合金化进程，降低最终合金化效果，并严重降低合金粉末球磨制备的产率
。
在手套箱惰性气体氛围内
、
将高纯
Li
颗粒及
Al、Mg、Ti
和
V
等高纯金属粉末同时装入等离子体球磨罐内，通过一步等离子体球磨
15
小时以上时，球磨合金粉的产率将低于
30%
，且粉末的合金化效果较差
。
图1为一步等离子体球磨法
15h
制备的
LiAlMgTiV
高熵合金粉末的
XRD
图谱，可见，该状态的合金粉末已无明显对应于
Li、Al
和
Mg
元素的衍射峰，表明三种轻质元素已实现合金化
。
此外，在此
XRD
图谱中，观察到较为明显的对应
Ti、V
元素衍射峰，表明熔点较高的
Ti、V
金属元素没有发生固溶
。Li、Al、Mg
等轻质元素的存在，使得球磨过程中发生了较为明显的冷焊现象，
Ti、V
元素在等离子体球磨过程中的合金化效果降低
。
因此，无法通过一步等离子体球磨法，实现
Li、Al、Mg、Ti、V
元素的合金化，获得
LiAlMgTiV
轻质高熵储氢合金
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种轻质高熵储氢合金及其制备方法和应用
。
[0006]一方面，本专利技术提供了一种轻质高熵储氢合金的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤
1、
在惰性气体氛围下，将
Ti
粉和
V
粉置于等离子体球磨罐内，在所述等离子体球磨罐内充入惰性气体，令所述等离子体球磨运行第一时间，然后停止运行所述第一时间，循环执行所述运行第一时间然后停止运行所述第一时间的过程，令所述等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种轻质高熵储氢合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1、
在惰性气体氛围下，将
Ti
粉和
V
粉置于等离子体球磨罐内，在所述等离子体球磨罐内充入惰性气体，令所述等离子体球磨运行第一时间，然后停止运行所述第一时间，循环执行所述运行第一时间然后停止运行所述第一时间的过程，令所述等离子体球磨运行时间大于等于
20h
，得到
TiV
合金；步骤
2、
在惰性气体氛围下，用筛网筛取出所述步骤1中制备的
TiV
合金粉末；取
Li
颗粒，
Al
粉和
Mg
粉，在惰性气体氛围下，将所述
Li
颗粒，
Al
粉和
Mg
粉置入所述等离子体球磨罐内，然后称取所述
TiV
合金粉末置于所述等离子体球磨罐内；在所述等离子体球磨罐内充入惰性气体，令所述等离子体球磨运行所述第一时间，然后停止运行第一时间，循环执行所述运行第一时间然后停止运行所述第一时间的过程，令所述等离子球磨运行时间为大于等于
15h
后得到轻质高熵储氢合金，其中所述轻质高熵储氢合金中
Li、Al、Mg、Ti
与
V
为等原子比
。2.
根据权利要求1所述的轻质高熵储氢合金的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘煌，刘辰光，楚攀，叶李旺，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：