一种Ti-Cr-Mn基储氢合金及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Ti

【技术实现步骤摘要】
一种Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金及制备方法


[0001]本专利技术属于储氢材料
，具体而言，本专利技术涉及一种Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金及制备方法。

技术介绍

[0002]面向高密度安全储氢需求，创制基于我国资源优势的高密度储氢材料和氢压缩材料，是加氢站用高安全固态储供氢系统的基础。采用三级氢压缩机，初级氢压缩储氢材料供给25MPa压力，中级氢压缩储氢材料供给35MPa压力，末级氢压缩储氢材料供给85MPa。主要是满足加氢站35MPa和70MPa的加注压力需求。初级压缩储氢材料，要求从低压升压到25MPa，材料的选型和制备至关重要，是第一环节。开发平台氢压高度匹配的高压缩比静态氢压缩材料，实现氢压缩材料在低于100℃下放氢平衡压分别达25、45、85MPa是氢压缩材料是实现氢能大规模利用的重要支撑。其中，25MPa初级氢压缩机用储氢合金及制备方法是关键环节。
[0003]AB2型储氢材料，有锆基和钛基两大类，该二元合金的储氢量大、易活化、动力学性能好，备受科学界和产业界关注。锆作为我国战略新型矿产资源之一，对外依存度长期在90％以上。2017年，我国产量不足1万吨，需求量达62.3万吨，2020年进口需求量超过100万吨。中国锆资源储量50万t，占全球储量不足1％，均为锆石矿床，锆石砂矿主要集中在以海南文昌为代表的东南沿海地区，其中海南的锆石砂矿储量占全国砂矿总储量的67％，占全国锆资源储量的19％，是国内目前唯一能被开采的滨江砂矿。我国的钛资源居世界首位，国内外发现钛资源总储量近20亿吨，我国约占48％。全国有20个省市自治区有钛矿，其中98.9％是钛铁矿，仅1％左右是金红石矿。钒钛磁铁矿是我国储量最大的一种，占全国钛资源的90％，主要分布在四川攀枝花和承德。因此，基于我国资源优势考虑，创新性制备高密度储氢材料和氢压缩材料，应优先考虑钛基AB2型储氢材料。
[0004]此外，适用于高压力等级的金属氢化物氢增压机的吸放氢材料要求的工作温度范围及对应的吸放氢速率，和适用于低压力等级的金属氢化物氢增压机的吸放氢材料要求的工作温度范围及对应的吸放氢速率，有明显不同。目前压缩材料采用稀土系AB5型和钛铁系AB型材料，如LaNi5，LaNi
4.63
Al
0.37
，TiFe，TiFe
0.9
Mn0.1等。这些材料一般容量最低(1.5～1.8mass％)，同时需150℃以上的温度才能达到20MPa，所以不宜用来作为获得大于20MPa的化学氢压缩材料。王新华等研究了金属氢化物氢压缩器用Ti
‑
Mn/Ti
‑
Cr多元储氢合金，筛选出一对性能优良的储氢合金(Ti
0.95
Zr
0.15
)(Mn
1.1
Cr
0.7
V
0.2
)和(Ti
0.95
Zr
0.07
)(Cr
1.4
Mn
0.4
Fe
0.1
Cu
0.1
)分别作为两级热驱动化学氢压缩器的低压级和高压级合金，以水为热交换截止可将压力为2.5MPa氢气压缩到40MPa以上。研究表明，在30℃时，Ti
0.83
V
0.08
Nb
0.25
Mn
1.17
Ni
0.60
Al
0.07
化合物在24.2MPa时吸收氢，氢化物被加热到124℃，它将以80MPa的速度释放氢气。因此，三种不同的氢压缩机用储氢材料不能通用。例如，中级氢压缩(即，中压级氢压缩)储氢材料不能应用在初级氢压缩上。
[0005]目前，初级氢压缩储氢机存在的问题聚焦于在低于100℃，放氢平台压力25MPa下，
成本高、吸放氢容量低、吸放氢滞后和活化困难等问题。

技术实现思路

[0006]基于我国资源优势和氢压缩材料的实际应用需求，本专利技术提供了一种Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金及制备方法，在Ti
‑
Cr
‑
Mn合金中添加地壳中丰度较高的Zr和Fe元素，并调整各金属的含量，使所制备储氢合金低成本、平台压可控、易活化和高储氢容量，满足基于我国资源优势的高密度储氢材料和氢压缩材料的实际应用需求。该储氢合金具有成本低，平台压可控的特点，是一种适合于大规模工程应用的无镍储氢材料。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，所述储氢合金的通式为(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
，其中，k表示A侧过化学计量数，x、y、z分别表示Mn和Fe的原子数，取值范围满足以下条件：k为0.01
‑
0.05(例如，0.02、0.03、0.04)，x为0.1
‑
0.9(例如，0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8)，y为0.1
‑
0.9(例如，0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8)，其中，A侧指的是TiCr2型储氢合金中的Ti侧，对应所述通式(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
中的(TiZr)
1+k
侧，B侧是TiCr2型储氢合金中的Cr侧，对应所述通式(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
中的Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
侧。
[0009]上述Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，作为一种优选的实施方式，所述Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金由C14型六方Laves型结构组成，Ti
‑
Cr
‑
Mn基体中按比例掺杂Zr和Fe，Fe掺杂摩尔数可小于、等于或大于Mn，用于有效调控合金调控储氢容量和平台压。
[0010]在所述(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
合金中，A侧选用Zr替代部分Ti，A侧过化学计量，过化学计量k的范围为0.01
‑
0.05；B侧选用Mn和Fe替代Cr。
[0011]本专利技术中，由于Zr和Ti是属于同一副族过渡元素，具有同样的外层电子结构，的原子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，其特征在于，所述储氢合金的通式为(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
，其中，k表示TiZr侧过化学计量数，x、y分别表示Mn和Fe的原子数，取值范围满足以下条件：k为0.01
‑
0.05，x为0.1
‑
0.9，y为0.1
‑
0.9。2.根据权利要求1所述的Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，其特征在于，所述Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金由C14型六方Laves型结构组成，Ti
‑
Cr
‑
Mn基体中按比例掺杂Zr和Fe。3.根据权利要求1或2所述的Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，其特征在于，在所述(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
储氢合金中，选用Mn和Fe替代部分Cr元素；其中，Mn的原子数范围x为0.1
‑
0.9，优选为0.15
‑
0.6；和/或，Fe的原子数范围y为0.1
‑
0.9，优选为0.3
‑
0.5；和/或，所述储氢合金中，Ti元素和Zr元素的原子数比例为(0.90
‑
0.95):(0.07
‑
0.12)；优选地，所述Ti元素和Zr元素的原子数比例为0.92:0.1。4.根据权利要求3所述的Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，其特征在于，所述储氢合金的通式为Ti
0.92
Zr
0.1
Cr
1.6
‑
x
Mn
x
Fe
0.4
，其中，x为0.15
‑
0.6。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的Ti
‑
Cr
‑
Mn基储氢合金，其特征在于，在298K温度时，(TiZr)
1+k
Cr2‑
x
‑
y
Mn
x
Fe
y
储氢合金的吸氢平台压4.3～8MPa，优选5～8MPa，放氢平台压3.2～7MPa，优选5～7MPa；在363K下放氢平台压为25～28MPa；优选地，在298K温度时，(TiZr)
1+k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎有花，周少雄，
申请(专利权)人：江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：