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哈工大《JPS》：固溶處理和熱擠壓對鎂合金儲氫性能的比較研究

2022-09-26 15:13:10 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

鎂合金是目前固態(tài)儲氫最具競爭力的儲氫材料。盡管鎂合金具有較高的儲氫能力，但是穩(wěn)定的熱力學(xué)、較差的反應(yīng)動力學(xué)性能，以及MgH2相中H原子較差的擴散能力使得其應(yīng)用和發(fā)展成為難題。

來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳瑞潤教授團隊最新研究表明，通過固溶處理提高14H-type LPSO結(jié)構(gòu)的形成，顯著降低氫化反應(yīng)的表觀活化能，有利于鎂合金氫化反應(yīng)動力學(xué)性能的提升，為鎂合金儲氫合金組織調(diào)控提供思路。相關(guān)論文以題為“Comparative study of solid-solution treatment and hot-extrusion on hydrogen storage performance for Mg96Y2Zn2 alloy: The nonnegligible role of elements distribution”發(fā)表在能源雜志Journal of Power Sources上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232037

氫能的發(fā)展不僅可以實現(xiàn)“0碳”排放，助力我國“雙碳目標(biāo)”的達(dá)成，還能夠解決能源危機，提高人民生活水平。因此氫能的發(fā)展成為國內(nèi)外關(guān)注的重點。鎂合金具有高理論儲能能力(7.6 wt%)，且價格低廉，是一種理想的儲氫材料，但是氫化物過于穩(wěn)定導(dǎo)致難以放氫，并且致密氫化產(chǎn)物導(dǎo)致氫難以擴散。在這項工作中，研究人員分別通過固溶處理和熱擠壓兩種方法對Mg-Y-Zn合金進(jìn)行處理，獲得具有良好吸放氫動力學(xué)的長周期結(jié)構(gòu) (LPSO)。

通過對晶格常數(shù)進(jìn)行分析，探究了鎂合金中c/a對于儲氫能力的影響，得出高c/a能夠在氫化反應(yīng)中產(chǎn)生更小的應(yīng)力和晶格膨脹。通過對不同反應(yīng)溫度下的動力學(xué)曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)固溶處理后的合金具有更低的表觀活化能，從而表現(xiàn)出更好的吸放氫動力學(xué)性能。

圖1 XRD分析:(a) t-合金和e-合金的圖樣，(b)晶格參數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)固溶處理合金中納米YH2顆粒能夠顯著提高氫化反應(yīng)能力和儲氫性能，作者通過透射電鏡表征分析得到：固溶處理合金14H型 LPSO結(jié)構(gòu)使得Y能夠均勻分布在基體中，其在氫化反應(yīng)中的分解能夠形成納米YH2顆粒從而實現(xiàn)儲氫性能的提升。

圖2動力學(xué)分析(a)等溫氫化，(b)等溫脫氫(c-f) JMAK擬合圖，(g-h) Arrhenius圖。

圖3 脫氫粒子的TEM結(jié)果:(a)顯微圖(b) HRTEM和(c) SAED的t合金(b)區(qū)域;(e) e合金(b)區(qū)域的顯微圖(f) HRTEM和(g) SAED。

總的來說，這項研究成果有望推動鎂合金在儲氫方面的應(yīng)用，為長周期結(jié)構(gòu)對氫化反應(yīng)的催化作用進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋，為儲氫鎂合金組織的設(shè)計提供研究方向及思路。同時，盡管文章中主要是針對Mg-Y-Zn合金，這種組織調(diào)控的思路可以推廣到Mg-RE-TM合金的設(shè)計。

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