Ti-Cr基高坪台压储氢合金的改性研究

发布时间：2017-11-05 09:33

  本文关键词：Ti-Cr基高坪台压储氢合金的改性研究

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【摘要】：为了满足加氢站固定式储氢系统的高效储氢要求,一种将金属氢化物固态储氢技术与高压气态储氢技术有机耦合的固态-高压复合储氢系统近来受到业界的广泛关注和重点研究。其中,开发具有高放氢坪台压力的储氢合金是固态-高压复合储氢系统的技术关键之一。本文在综述国内外有关高坪台压储氢合金研究进展的基础上,选取具有较高放氢坪台压力的Ti1.02(Cr-Mn-Fe)2合金作为研究对象,通过XRD、SEM、EDS以及Sievert型吸放氢性能测试等手段,首先研究了Cr/Mn和Fe/Mn比对合金的微观结构及储氢性能的影响；在此基础上,进一步研究了掺加稀土元素(La、Ce、Ho)以及不同退火热处理工艺对Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6合金微观结构及储氢性能的影响规律与改性作用。首先研究了Cr/Mn比和Fe/Mn比对Ti1.02CrxMn1.1-xFe0.6(x=1,1.5,1.1)合金和Ti1.02Cr1.1Mn0.6-yFey(y=0.6,0.65)合金微观结构及储氢性能的影响。结果表明：所有合金均具有C14型Laves相单相结构；随着Cr/Mn比的增加,合金的晶胞参数和晶胞体积逐渐增大：而随着Fe/Mn比的增加,合金的晶胞参数和晶胞体积逐渐减小。储氢性能测试结果表明,Cr/Mn比的增加使得合金的吸氢量增加、吸放氢坪台压逐渐降低,而Fe/Mn比的增加使得其吸氢量减少、吸放氢坪台压逐渐升高,其中Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6合金具有相对优异的储氢性能,其243 K最大储氢量为1.621wt.%,放氢坪台斜率为0.129,吸放氢压力滞后系数为0.57,在318K放氢坪台压为51.80 MPa,放氢反应的焓变为16.47 kJ/mol H2。在上述研究基础上,为改善合金的常温活化性能,进一步研究了添加稀土元素(La、Ce、Ho)对Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6REx(RE=La, Ce, Ho;x=0,0.01,0.03,0.05)合金的微观结构及储氢性能的影响。微观结构分析结果表明,添加稀土元素后,合金主相仍然为C14型Laves相结构,但是会使合金的晶胞体积增加,随着稀土元素添加量的增多,合金会出现少量的稀土氧化物相。储氢性能测试结果表明,添加稀土元素对合金的活化性能有改善作用,合金不需经过高温,在常温情况下就可以完全活化；掺入La和Ce元素时,合金的吸放氢坪台压会有所降低,且吸放氢压力滞后性和坪台斜率均有所增加；加入La时吸氢量增加,而加入Ce时吸氢量基本不变。在相同添加量Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6RE0.03 (RE=La, Ce, Ho)合金中稀土元素原子序数的增加,合金的吸放氢坪台压力逐渐降低,吸放氢压力滞后性减少,P-C-T曲线坪台斜率增加,放氢反应的焓变增加。在所研究的掺加稀土合金中,Ti1.02Cr1.1 Mn0.3Fe0.6La0.03和Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6Ce0.03合金具有相对较佳的综合储氢性能。为了考察合金的批量生产效果和热处理改性作用,采用中频感应熔炼方法批量制备了Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6合金,并系统研究了不同退火温度(873 K、973 K、1123 K、1173 K)和退火时间(2 h、5 h、8 h)热对合金微观结构和储氢性能的影响。结果表明,经过不同温度退火处理后,合金中出现了少量的第二相,并且合金的C14型Laves主相晶胞体积有所增加；经过退火处理后合金的298 K吸氢坪台压力和318 K放氢坪台压力都有所降低,P-C-T曲线坪台斜率有所改善。在1123 K退火温度下,延长退火时间,会使合金的最大储氢容量先升高后下降,并在退火5h时达到1.721wt.%的最高值;同时,延长退火时间会使得合金的吸放氢坪台压力逐渐上升。在所研究的退火合金中,在1123 K下退火5h的合金具有最佳综合储氢性能,它的298 K吸氢坪台压力为29.09 MPa,318 K放氢坪台压力为45.12 MPa,最大储氢容量为1.721wt.%,放氢反应焓变为17.78 kJ/mol H2,适用于作为固态-高压复合储氢系统用储氢材料。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.7

【参考文献】

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本文编号：1143656