Cu对过共晶Mg-Ni合金组织与储氢性能的影响及动力学分析
发布时间：2021-11-13 06:03
镁（Mg）基储氢合金作为未来理想的贮氢材料,以其在吸放氢量及成本等方面的优势于众多贮氢合金中脱颖而出。本文首先对储氢合金的分类进行简要概述,对Mg基储氢合金的制备方法以及性能特点进行了详细的阐述。在已研究的Mg系储氢合金中,纯Mg基合金具有很高的质量吸氢量,最高理论吸氢量能够达到7.66 wt%,Mg2Ni基储氢合金相比于Mg基储氢合金具有较好的动力学性能,但储氢量有所下降,为3.62 wt%。针对于两种基体储氢合金的各自特点,本文就研究相对较少的富Mg2Ni基的过共晶Mg40Ni10合金进行研究,实验部分采用B侧元素Cu对Ni进行取代。首先采用熔铸法制备了铸态Mg40Ni10-xCux（x=0,2,4,6）合金,利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）等分析方法对合金的微观组织结构及相构成进行分析,发现Mg40Ni10铸态组织由粗大的Mg2Ni初生相与片层状的Mg-Mg2Ni共晶组成,Cu的加入改变了组织形...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国能源结构展望图[2]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-2压力-成分-温度(PCT)曲线和范特霍夫曲线[18]P8储氢合金的热力学参数可以通过测量吸、放氢过程之中压力-成分-温度之间的关系求出，在曲线的α+β相区各参数之间符合Van’tHoff关系：ln=(1-2)在α+β相区内lnP与温度T的倒数之间为线性关系，因此，借助合金不同温度下的压力-成分-温度曲线，能够得到氢压的对数和温度的倒数之间的关系(范特霍夫关系曲线)，典型合金的范特霍夫关系见图1-2。反应焓是储氢合金热力学性能的主要参数，利用PCT曲线的斜率和与y轴截距的绝对值就可以分别获得H和S。H即为储氢材料和H2反应形成β相时放出的热量，H的数值变化量越大，MxHy的热稳定性就越强；S的大小代表了着反应发生趋势的强弱，在Mg基储氢材料中，生成熵的变化量越大，则PCT曲线中的水平部分越往下，即氢化物在更低的压力下才能解吸，氢化物的稳定性越高[7]。对于Mg基储氢材料，要求合金的氢化产物稳定性应当尽可能的低，因此为提高储氢合金的吸放氢性能，应通过一系列的措施，适当降低生成焓以及生成熵的值。1.3合金的储氢机理金属氢化物的储氢机理与物理储氢方式不同，合金吸收以及放出氢气时有一系列化学反应的发生，为化学储氢方法。合金的吸放氢过程一般简化成三个主要的阶段进行：首先，将合金置于氢压氛围下，氢气分子通过物理吸附附着在合金表面，氢气分子中的H-H键断裂，H2解离变为H；然后，H2离解产生的H向内扩散进入到合金的原子间隙，此时的合金相称为α-固溶体，α相仍保持着基体合金的结构，其浓度随着温度发生缓慢的变化，
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-体系的热力学平衡条件为：12H2(,)=H(,,H)(1-3)式中，H2是H2的化学势，H是α中H的化学势，CH为H的浓度；与此同时，合金表面不断有氢气附着并发生解离成为氢原子，氢原子不断从合金表面向内扩散使合金中的氢浓度升高，直到α-固溶体浓度升高到一定数值，氢化物(β)相开始形核长大形成金属氢化物并释放出热量，这样氢气就被储存在了金属储氢材料中[8]。金属与H2发生化学反应形成β相的反应如下：M+2H2MH+Q(1-4)式中，Q表示发生氢化反应所释放的热量。此时，系统中包含α、β和氢气三个相，含有两种组分(金属和氢气)，根据吉布斯相律，自由度(f)为：=+2(1-5)其中C是组分的个数，P是相的个数。因此，在两相区，氢气压力不再改变，浓度上升。如果达到纯β阶段(α阶段完全消失)，此时相数变为2，系统就有两个自由度，氢进入β相的固溶体中，随着β相浓度继续增大，氢的压力再次升高。图1-3金属吸放氢简化模型[9]氢气的释放过程与吸收过程相反，当外界氢压较低时，首先氢化物吸热形成固溶体，然后固溶体中的氢原子在材料中由内部向外部扩散，最后H-H键在材料表面重新结合形成氢气，并释放出来。上述过程为一个完整的吸放氢过程，储氢合金的使用过程也就是吸放氢的循环过程。1.4储氢合金的分类各体系的储氢合金主要包含A侧元素与B侧元素两种，A侧元素为吸氢型元素，能够和H2反应向外放热，主要与合金的吸氢量有关；B侧元素对H2几乎
本文编号：3492468
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国能源结构展望图[2]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-2压力-成分-温度(PCT)曲线和范特霍夫曲线[18]P8储氢合金的热力学参数可以通过测量吸、放氢过程之中压力-成分-温度之间的关系求出，在曲线的α+β相区各参数之间符合Van’tHoff关系：ln=(1-2)在α+β相区内lnP与温度T的倒数之间为线性关系，因此，借助合金不同温度下的压力-成分-温度曲线，能够得到氢压的对数和温度的倒数之间的关系(范特霍夫关系曲线)，典型合金的范特霍夫关系见图1-2。反应焓是储氢合金热力学性能的主要参数，利用PCT曲线的斜率和与y轴截距的绝对值就可以分别获得H和S。H即为储氢材料和H2反应形成β相时放出的热量，H的数值变化量越大，MxHy的热稳定性就越强；S的大小代表了着反应发生趋势的强弱，在Mg基储氢材料中，生成熵的变化量越大，则PCT曲线中的水平部分越往下，即氢化物在更低的压力下才能解吸，氢化物的稳定性越高[7]。对于Mg基储氢材料，要求合金的氢化产物稳定性应当尽可能的低，因此为提高储氢合金的吸放氢性能，应通过一系列的措施，适当降低生成焓以及生成熵的值。1.3合金的储氢机理金属氢化物的储氢机理与物理储氢方式不同，合金吸收以及放出氢气时有一系列化学反应的发生，为化学储氢方法。合金的吸放氢过程一般简化成三个主要的阶段进行：首先，将合金置于氢压氛围下，氢气分子通过物理吸附附着在合金表面，氢气分子中的H-H键断裂，H2解离变为H；然后，H2离解产生的H向内扩散进入到合金的原子间隙，此时的合金相称为α-固溶体，α相仍保持着基体合金的结构，其浓度随着温度发生缓慢的变化，
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-体系的热力学平衡条件为：12H2(,)=H(,,H)(1-3)式中，H2是H2的化学势，H是α中H的化学势，CH为H的浓度；与此同时，合金表面不断有氢气附着并发生解离成为氢原子，氢原子不断从合金表面向内扩散使合金中的氢浓度升高，直到α-固溶体浓度升高到一定数值，氢化物(β)相开始形核长大形成金属氢化物并释放出热量，这样氢气就被储存在了金属储氢材料中[8]。金属与H2发生化学反应形成β相的反应如下：M+2H2MH+Q(1-4)式中，Q表示发生氢化反应所释放的热量。此时，系统中包含α、β和氢气三个相，含有两种组分(金属和氢气)，根据吉布斯相律，自由度(f)为：=+2(1-5)其中C是组分的个数，P是相的个数。因此，在两相区，氢气压力不再改变，浓度上升。如果达到纯β阶段(α阶段完全消失)，此时相数变为2，系统就有两个自由度，氢进入β相的固溶体中，随着β相浓度继续增大，氢的压力再次升高。图1-3金属吸放氢简化模型[9]氢气的释放过程与吸收过程相反，当外界氢压较低时，首先氢化物吸热形成固溶体，然后固溶体中的氢原子在材料中由内部向外部扩散，最后H-H键在材料表面重新结合形成氢气，并释放出来。上述过程为一个完整的吸放氢过程，储氢合金的使用过程也就是吸放氢的循环过程。1.4储氢合金的分类各体系的储氢合金主要包含A侧元素与B侧元素两种，A侧元素为吸氢型元素，能够和H2反应向外放热，主要与合金的吸氢量有关；B侧元素对H2几乎
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