一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，该储氢合金的化学通式为R

【技术实现步骤摘要】
一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金及其制备方法
本专利技术属于新能源材料领域，涉及一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金及其制备方法。
技术介绍
随着世界各国经济的不断发展，能源的需求量越来越大。为了解决经济发展与能源需求存在的矛盾，必须寻求洁净的新能源来维持经济的可持续发展。氢能源作为燃烧值高、储量丰富且洁净无污染的二次能源，正符合目前社会发展对能源的需求，所以氢能源越来越受到人们的关注，并且与其相关的产业也在近几年获得了迅速发展。氢能源的普及推广离不开氢气的储运。氢气由于密度小，易泄露，与空气混合后爆炸范围宽等在储运过程中受到了极大的限制。因此，如何高效便捷地对氢气进行储存和运输成为推动氢能体系发展的关键环节。目前人们开发和研究的储氢材料主要包括以下几类：金属氢化物储氢材料、配合物储氢材料、有机液体储氢材料和多孔固体吸附储氢材料等。其中，稀土系金属氢化物储氢材料是仍为目前最可期待的温和条件下相对高容量储氢材料。在现有不同系列金属氢化物储氢合金中，Mg系合金储氢容量最具优势，但是吸放氢温度过高，动力学性能迟滞，制约着其大规模应用。TiFe合金虽然制造成本较低，储氢量较高，但难活化且易中毒。AB5型储氢合金易活化、吸放氢速度快、滞后小，但合金储氢量低。近年来开发的稀土镁镍系储氢合金储氢容量高于AB5型储氢合金，且具有易活化、吸放氢平台压较高且调控强，表现出良好的应用前景。稀土镁镍系储氢合金是一类具有超晶格结构的储氢合金，它是由[A2B4]和[AB5]亚单元按照一定比例沿c轴堆垛而成的，可分为AB3型(1:1)、A2B7型(1:2)、A5B19型(1:3)和AB4型(1:4)。稀土镁镍系储氢合金在制备过程中除了形成上述超晶格结构外，还存在非超晶格结构的AB2和AB5型相。研究发现，稀土镁镍系储氢合金中不同相结构间存在一定的相互作用，其中，AB5型相结构由于其吸放氢压力较高，而且其具有一定的催化作用，能够提高合金的吸放氢速率，因此，制备以AB5型相结构和超晶格相结构多相复合的稀土镁镍系合金对于稀土镁镍系储氢合金吸放氢性能的提升在一定程度上也具有重要意义。如何能够有效地控制制备以AB5型相结构和超晶格相结构多相复合的稀土镁镍系储氢合金，同时兼顾储氢合金的吸放氢平台压力和储氢量等储氢性能，且使其工艺步骤简单、耗时短以及达到产业化规模的要求，成为目前亟待解决的技术难题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术旨在提供一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，该储氢合金的化学通式为R1-x-yMgxAyNiz-w-vBwCv，其具有易活化、吸/放氢速率快且吸/放氢气平台压适中，能够适用于低压固态储氢设备和加氢站应用，具有高安全性、高体积储氢密度和低成本的优点。本专利技术还提供了一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金的制备方法，依次经过配料、熔炼及热处理步骤制备储氢合金，过程简单，易于控制，能够制备形成形成相应相结构的储氢合金，从而保证所得合金的储氢性能，便于产业化生产应用。本专利技术所提供的技术方案如下：一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，所述储氢合金化学通式为R1-x-yMgxAyNiz-w-vBwCv，式中，x、y、z、w、v表示摩尔比，0.05≤x≤0.20，0≤y≤0.50，4.10＜z≤4.80，0＜w≤0.15，0≤v≤0.05；式中：R选自稀土Pr、Nd、Sm、Gd和Y中至少一种元素，A选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Zr、Ti和V中至少一种元素，B表示选自Mn、Al和Co中的至少一种元素，C表示选自Mn、Al、Co、Si、Fe和Cu中的至少一种元素。不同元素的原子半径和电负性的差异，会影响储氢合金晶胞体积及氢与金属原子之间的作用力，本专利技术根据不同元素原子半径和电负性的差异，并通过与过渡金属元素原子的共同作用，制备出可增加合金储氢量、提高吸放氢平台和吸放氢动力学性能的低压固态储氢合金；本专利技术提供的储氢合金，储氢容量高、吸放氢平台压力适中，易活化、吸放氢速率快，适用于固态储氢装置。本专利技术的合金组成表达式中，当x＞0.20时，随着合金中Mg元素含量增大，在本专利技术提供的制备方法下，合金中AB5相结构含量过低，合金吸放氢平台压力变低，且循环稳定性变差；而当x＜0.05时，制备的合金中AB5相结构含量过高，储氢合金吸放氢容量低于1.0wt％。R和A侧元素均为合金中主要吸氢元素，当A中非R元素含量超过0.5时，例如La、Ce元素会使储氢合金的平台压力有所降低，而Zr、Ti和V元素则会使储氢合金的储氢容量下降。另外，B中过渡金属元素主要用于调控合金吸放氢平台滞后性，但当B侧元素Mn、Al、Co含量超过0.20时，即w+v≥0.20，所制备的合金平台压降低；而v＞0.05时，合金的储氢量则降低明显。此外，合金相结构组成在特定制备条件下受到z值控制，当z≤4.10时，在该制备条件下，所制备的合金中存在非超晶格结构AB2相含量，合金吸放氢平台压力降低，而当z＞4.80时，所制备的合金中非超晶格AB5相结构含量过高，合金储氢容量降低明显。作为本专利技术的一种限定，所述储氢合金晶体结构为超晶格单相结构，或者为由AB5相结构和超晶格单相结构组成的相结构，所述超晶格单相结构包括A2B7型、A5B19型和AB4型超晶格相结构中的一种或多种。作为本专利技术的进一步限定，所述储氢合金晶体结构为由AB5相结构和超晶格单相结构组成的相结构时，AB5相结构含量为15～70wt％；优选地，AB5相结构含量为30～40wt％。本专利技术还提供了一种适用于低压固态储氢的稀土系储氢合金的制备方法，按照如下的步骤顺序依次进行：(1)配料选择金属单质或合金化合物为原料，按照权利要求1所述的合金化学组成进行配料，考虑制备中挥发损失，配料时将相应元素的挥发量补充增加；(2)熔炼采用感应熔炼方法制备铸态合金，熔炼前将炉腔室抽真空至低于0.06MPa，再通入高纯氩气至0.01～0.04MPa，其中金属Mg以二次加料的方式进行添加，最后将合金浇铸至水冷锭模中，冷却后获得合金铸锭；(3)热处理将合金铸锭密封后装入真空退火炉中，充入惰性气体后进行热处理，得最终的储氢合金。作为本专利技术的限定：(一)步骤(3)中，所述的热处理按照如下阶段依次进行：第一阶段，从室温升高至300℃，保温0.5h；第二阶段，从300℃升高至600℃，保温1h；第三阶段，从600℃升温至800～900℃，保温5～10h；第四阶段，随炉冷却至室温。(二)步骤(3)中，所述惰性气体为氮气或氦气。(三)步骤(3)中，所述惰性气体的压力为0～0.04MPa。作为本专利技术一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金的制备方法的进一步限定，所述第一阶段的升温速率为5～10℃/min；所述第二阶段的升温速率为5～10℃/min；所述第三阶段的升温速率为2～5℃/min。在本专利技术的制备过程中，由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，其特征在于，所述储氢合金化学通式为R

【技术特征摘要】
1.一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，其特征在于，所述储氢合金化学通式为R1-x-yMgxAyNiz-w-vBwCv，式中，x、y、z、w、v表示摩尔比，0.05≤x≤0.20，0≤y≤0.50，4.10＜z≤4.80，0＜w≤0.15，0≤v≤0.05；式中：R选自稀土Pr、Nd、Sm、Gd和Y中至少一种元素，A选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Zr、Ti和V中至少一种元素，B表示选自Mn、Al和Co中的至少一种元素，C表示选自Mn、Al、Co、Si、Fe和Cu中的至少一种元素。


2.根据权利要求1所述的一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，其特征在于，所述储氢合金晶体结构为超晶格单相结构，或者为由AB5相结构和超晶格单相结构组成的相结构，所述超晶格单相结构包括A2B7型、A5B19型和AB4型超晶格相结构中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金，其特征在于，所述储氢合金晶体结构为由AB5相结构和超晶格单相结构组成的相结构时，AB5相结构含量为15～70wt％。


4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种适用于固态储氢的稀土系金属氢化物储氢合金的制备方法，其特征在于，按照如下的步骤顺序依次进行：
(1)配料
选择金属单质或合金化合物为原料，按照权利要求1所述的合金化学组成进行配料，考虑制备中挥发损失，配料时将相应元素的挥发量补充增加；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璐，韩树民，丛立安，王文凤，席宁，胡羽洁，菅璐，
申请(专利权)人：包头中科轩达新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15