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1、第32卷第11期應(yīng)用化學(xué)Vo1．32Iss．112015年11月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYNOV．2015Ti-V基儲(chǔ)氫合金及其氫化物的物相結(jié)構(gòu)與組分優(yōu)化設(shè)計(jì)朱勁波馬立群梁飛苗迎春。王立民¨(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院南京210009；中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)春130022)摘要Ti—V基儲(chǔ)氫合金在室溫、常壓下即可表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)氫特性，且質(zhì)量?jī)?chǔ)氫容量明顯高于傳統(tǒng)AB型儲(chǔ)氫合金，從而在氫氣的精制和回收、運(yùn)輸和儲(chǔ)存及熱泵等方面有較早的應(yīng)
2、用。此外，在混合氣體分離、核反應(yīng)堆中處理氫的同位素、鎳氫電池及燃料電池負(fù)極材料等方面也得到了廣泛的研究與關(guān)注?；谀壳癟j-V基儲(chǔ)氫合金的研究現(xiàn)狀，概述了該類合金的優(yōu)勢(shì)、限制性因素(包括成因)及改性手段。此外，為了進(jìn)一步理解Ti．V基合金儲(chǔ)氫機(jī)理、構(gòu)建合金組分與儲(chǔ)氫特性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本工作重點(diǎn)圍繞—V基儲(chǔ)氫合金及其氫化物的結(jié)構(gòu)、組分優(yōu)化設(shè)計(jì)展開綜述，并對(duì)其未來(lái)研究方向做出展望。關(guān)鍵詞Ti—V基合金；儲(chǔ)氫；物相結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：O614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0518(2015)11．1
3、221—10DOI：10．11944／j．issn．1000-0518．2015．11．150113金屬氫化物是目前化學(xué)儲(chǔ)氫材料中研究最為廣泛的材料類別之一，主要包含間隙金屬氫化物以及輕質(zhì)金屬氫化物。其中，間隙金屬氫化物可以分為6類：AB、AB、AB：、AB、AB、Ti．V基固溶體。“A”主要對(duì)應(yīng)于可以生成穩(wěn)定氫化物的金屬元素，而“B”則對(duì)應(yīng)于生成非穩(wěn)定氫化物的過渡金屬元素。該類材料的主要特點(diǎn)是有良好的儲(chǔ)氫熱力學(xué)特性，大都處在放氫焓變△日=20～50kJ／toolH’的可逆區(qū)間，具有良好的儲(chǔ)氫可逆性。輕質(zhì)
4、金屬氫化物則主要包含MgH、A1H，等，其中MgH：、A1H的放氫焓變△日分別為66—75kJ／molH：、5～8H／molH，前者相對(duì)穩(wěn)定，而后者不穩(wěn)定，且A1H還有不可逆(難以再生)等問題。典型的金屬氫化物及其儲(chǔ)氫特性如表1所示_2J。從表1可以發(fā)現(xiàn)，Ti．V基固溶體儲(chǔ)氫合金在室溫、常壓下即可表現(xiàn)出較佳的儲(chǔ)氫特性。表1典型金屬氫化物特性Table1Propertiesoftypicalmetalhydrides[2015-03-24收稿，2015-05-04修回，2015-06-26接受江蘇省科技支撐
5、計(jì)劃一工業(yè)部分(BE2012047)通訊聯(lián)系人：馬立群，教授；Tel：025~3587243；Fax：025—83240205；E-mail：mMiqun@njtech．edu．cn；研究方向：儲(chǔ)氫合金、非晶態(tài)合金和納米金屬共同通訊聯(lián)系人：王立民，研究員；Tel／Fax：0431·85262447；E-mail：lmwang@ciac．a(chǎn)c．ca；研究方向：儲(chǔ)氫材料，電池材料，功能復(fù)合材料應(yīng)用化學(xué)第32卷除此之外，Ti—V基儲(chǔ)氫合金還有著以下優(yōu)點(diǎn)：較高的體積儲(chǔ)氫容量(VH的體積儲(chǔ)氫容量為0．16g／cm，
6、約為液態(tài)氫氣的2．25倍)，理論上為3．8％左右，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫容量明顯高于傳統(tǒng)AB型儲(chǔ)氫合金。還具有良好的動(dòng)力學(xué)特性。Ti、V元素能夠以任意比例形成固溶體合金，且與H：不會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)。鑒于Ti-V基儲(chǔ)氫合金的上述優(yōu)點(diǎn)，其在氫氣的精制和回收、運(yùn)輸和儲(chǔ)存、熱泵等方面有較早的應(yīng)用。此外，在}昆合氣體分離、核反應(yīng)堆中處理氫的同位素_6]、鎳氫電池及燃料電池負(fù)極材料]、脫氫催化劑方面也有得到了廣泛的研究與關(guān)注。1Ti—V基儲(chǔ)氫合金的限制因素及改性方法1．1Ti—V基儲(chǔ)氫合金的限制因素及成因盡管Ti-V基儲(chǔ)氫合金存在著
7、諸多優(yōu)點(diǎn)，但不足之處也較為明顯：通常V能夠與H形成3種產(chǎn)物，即，固溶體、單氫化物(VH)、雙氫化物(VH：)，分別稱為、盧和y相，從而在PCT曲線上通常會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)平臺(tái)(H的固溶不產(chǎn)生平臺(tái))，Papathanassop0ulos和Wenzlll報(bào)道，其中的高壓力平臺(tái)在263K下為10Pa，低壓力平臺(tái)在353K下僅為10Pa，這意味著低壓平臺(tái)在自然環(huán)境條件下難以得到有效利用。Ti—V基固溶體(體心立方)也通常有兩個(gè)差異較大的壓力平臺(tái)，導(dǎo)致其可逆儲(chǔ)氫量一般不超過3．O％，達(dá)不到美國(guó)能源部提出的車載儲(chǔ)氫要求。因此
8、，提升Tj—V基固溶體合金的儲(chǔ)氫容量主要在于如何解決對(duì)穩(wěn)定的單氫化物(低壓平臺(tái))的利用。除此之外，Ti-V基儲(chǔ)氫合金還存在一些其它限制因素。例如：1)活化性能欠佳，一般需要高溫處理或數(shù)次吸放氫循環(huán)后才可達(dá)到最大吸氫量。Ti．V基儲(chǔ)氫合金的活化性能的影響因素主要為¨：A．表層氧化膜(高溫處理或多次吸放氫后可以去除)；B．合金物相結(jié)構(gòu)(含有少量Laves相的Ti—V基合金一般具有較好的活化特性)。2)吸放氫平臺(tái)的傾斜度較大。Ti—
