【摘 要】
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稀土系AB2型储氢合金实际储氢容量低,在吸放氢过程中易发生氢致非晶化和氢致歧化,存在较大的容量衰减。同时,因稀土元素较大的原子半径,在形成AB2型合金时会对晶格产生较大的应力,稀土 AB2合金会在A侧出现空位形成A1-xB2相来减小应力稳定结构,当使用原子半径(1.801 A)较小的Y作为A侧元素,Ni作为B侧元素,合金会形成Y0.95Ni2相。本文基于YNi2.1(Y0.95Ni2)合金,系统研
【基金项目】
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国家重点研发计划(2019YFE0103600);
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稀土系AB2型储氢合金实际储氢容量低,在吸放氢过程中易发生氢致非晶化和氢致歧化,存在较大的容量衰减。同时,因稀土元素较大的原子半径,在形成AB2型合金时会对晶格产生较大的应力,稀土 AB2合金会在A侧出现空位形成A1-xB2相来减小应力稳定结构,当使用原子半径(1.801 A)较小的Y作为A侧元素,Ni作为B侧元素,合金会形成Y0.95Ni2相。本文基于YNi2.1(Y0.95Ni2)合金,系统研究了化学计量比,Mg、Co元素替代对合金相结构和储氢性能的影响。化学计量比对YNiy(y=1.9,2.1,2.3,2.5)合金相结构和储氢性能的研究结果表明,随着y从1.9增加至2.5,合金中YNi相消失,Y0.95Ni2相含量逐渐减小,YNi3相出现,且含量逐渐增加,当y=2.5时,YNi3相含量达到92.85 wt%。储氢性能测试表明,化学计量比的增大能够显著改善合金的循环稳定性和稳定吸氢容量。YNi2.5合金在循环后容量不发生衰减,具有最大的稳定吸氢容量1.72wt%。吸放氢前后结构变化研究表明,合金容量衰减主要来源于Y0.95Ni2相发生氢致歧化和氢致非晶化,而YNi3相结构在吸放氢后不发生改变。YNi3相能够稳定Y0.95Ni2相的结构,抑制容量衰减。Mg替代对Y1-xMgxNi2.1(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)合金的研究结果表明,随着Mg替代量的增加,(Y,Mg)Ni2相含量逐渐增大,(Y,Mg)Ni3相含量先增加后逐渐减小,Mg元素在(Y,Mg)Ni2相中含量较在(Y,Mg)Ni3相中更高。随着Mg替代量的增加,合金的结构稳定性逐渐提高,容量衰减率逐渐减小。当x≤0.1时,容量衰减主要来源于Y0.95Ni2相发生氢致歧化,当x≥0.2时,容量衰减来源于Mg含量较低的(Y,Mg)Ni2相发生相转变,x=0.5时,容量不发生衰减。随着Mg替代量的增加,(Y,Mg)Ni2相中Mg含量的增加,(Y,Mg)Ni3相中Mg含量增量较小,PCT曲线中(Y,Mg)Ni2相对应的低平台的平衡压力逐渐增大,(Y,Mg)Ni3相对应的高平台的平衡压力无明显变化,当x=0.4时,(Y,Mg)Ni2相和(Y,Mg)Ni3相平台的平衡压力相同,PCT曲线为单平台。Co替代对Y0.7Mg0.3Ni2.1-xCox(x=0,1.05,2.1)合金的研究结果表明,随着Co替代量的增加,Mg在(Y,Mg)(Ni,Co)3相中的含量减少,在(Y,Mg)(Ni,Co)2相的含量增加。当Co替代量从0增加至2.1时,合金前四周的容量衰减率2.84%降至0%,稳定吸氢量从1.37 wt%上升至1.79 wt%。Mg替代对 Y1-xMgxNiy(x=0,0.05,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5;y=1.9,2.1,2.3,2.5)合金相结构和储氢性能的比较研究表明,对于不同化学计量比的Y-Mg-Ni1.9-2.5合金,随着Mg替代量的增加,合金中的Y0.95Ni2相消失,当Mg替代量小于等于0.2时,合金会优先生成(Y,Mg)Ni3相,而后该相会随着Mg替代量的增加逐渐减小,对于Y-Mg-Ni2.5合金,(Y,Mg)Ni3相含量随着Mg替代量的增加逐渐减小,当x≥0.4时,Y-Mg-Ni2.1-2.5合金中出现(Y,Mg)Ni3.5相。所有合金均出现了(Y,Mg)Ni2相,(Y,Mg)Ni2相会随着Mg替代量的增加而逐渐增加。Mg优先进入化学计量比低的相,形成(Y,Mg)Ni2相所需的最小Mg含量为0.20,随着Mg替代量的增加,(Y,Mg)Ni2相中Mg含量为0.50时饱和或者不再增加,高化学计量比相中的Mg含量增加。随着(Y,Mg)Ni2相中Mg含量的增加,该相的结构稳定性逐渐提高。当合金中仅含有(Y,Mg)Ni2相时,该相不发生氢致歧化所需较高的Mg含量为0.47。当合金中存在(Y,Mg)Ni3相时,并且该相的含量越高,稳定(Y,Mg)Ni2相所需的Mg含量越少。(Y,Mg)Ni3相能够抑制(Y,Mg)Ni2相发生氢致歧化和氢致非晶化。随着(Y,Mg)Ni2相中Mg含量的上升,PCT曲线对应(Y,Mg)Ni2相低平台的平衡压明显提升,(Y,Mg)Ni3相对应高平台的平衡压因Mg含量的变化较小,无明显变化。PCT曲线的可逆性会随着(Y,Mg)Ni2相中Mg含量和(Y,Mg)Ni3相含量的升高而得到改善。
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