RE-Mg-Ni基储氢合金相结构和储氢性能

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稀土-镁-过渡金属基储氢合金由于具有稀土氢化物的催化作用以及多相之间的协同作用等特点成为近年来科学研究的热点。研究该类合金的多相微观结构和吸放氢热力学、动力学性能,揭示其储氢机理,吸氢过程的动力学特性具有重要的理论意义和实际意义。本文根据RE-Mg-Ni三元相图,利用真空感应熔炼和退火技术制备了REMg2Ni (RE=La, Pr)合金和LaMg3.93Ni0.21合金,并研究其相结构和储氢性能。本文制备的LaMg2Ni合金具有单相结构,研究发现623K吸氢过程中,LaMg2Ni相分解为LaH3相和Mg2NiH4相,充分放氢后LaH3相转化为La3H7相并且出现Mg2Ni相。La-H化合物的出现与La-H化合物在吸氢过程中的相转变共同起到催化作用,使得LaMg2Ni合金活化第二周仅需280s即可达到最大储氢量的90%以上,而单相Mg2Ni合金需要1200s。P-C-T结果显示在603K到523K温度范围内LaMg2Ni合金吸氢量保持在1.95wt.%左右,Mg2Ni合金的吸氢量从4.09wt.%降低到3.13wt.%。LaMg2Ni合金中的吸氢相Mg2Ni的反应焓ΔH与反应熵ΔS分别为-53.02kJ/mol H2,-84.96J/K mol H2,均小于单相Mg2Ni合金的氢化物的ΔH、ΔS (-64.50kJ/mol and-123.10J/K mol H2),这是由于LaMg2Ni合金中有La-H化合物的存在,导致Mg2NiH4在放氢时不稳定而利于合金放氢。PrMg2Ni合金为单相结构,合金的储氢量为1.85wt.%,吸氢速率较比LaMg2Ni合金快,并且随温度降低PrMg2Ni合金吸氢速率变快。LaMg2Ni合金的吸氢动力学模型符合Jander方程,吸氢控制步骤为一维扩散控制;PrMg2Ni合金的吸氢动力学模型符合Avrami-Erofeev方程,其吸氢反应是形核及长大过程控制。本文通过La-Mg-Ni三元相图设计了LaMg3.93Ni0.21合金。XRD和SEM分析显示该合金由LaMg2Ni相、La2Mg17相和LaMg3相所构成的三相合金,这三种初始相在吸氢过程中发生分解,活化后LaMg3.93Ni0.21合金的实际吸氢相为Mg相和Mg2Ni相。LaMg3.93Ni0.21合金的最低可逆吸放氢温度为在523K下的可逆储氢量达到2.54wt.%,具有良好的低温储氢性能。LaMg3.93Ni0.21合金吸/放氢的ΔH、ΔS均小于单相Mg和Mg2Ni合金的ΔH、ΔS,说明MgH2相与Mg2NiH4相的协同作用以及La-H的存在有降低合金氢化物稳定性的作用。
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