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： 材料科學與工程 來源： 材料科學與工程
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鎂合金是目前固態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，但是穩定的熱力學、較差的反應動力學性能，以及MgH2相中H原子較差的擴散能力使得其應用和發展成為難題。
來自哈爾濱工業大學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結構的形成，顯著降低氫化反應的表觀活化能，有利于鎂合金氫化反應動力學性能的提升，為鎂合金儲氫合金組織調控提供思路。相關論文以題為“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
氫能的發展不僅可以實現“0碳”排放，助力我國“雙碳目標”的達成，還能夠解決能源危機，提高人民生活水平。因此氫能的發展成為國內外關注的重點。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，但是氫化物過于穩定導致難以放氫，并且致密氫化產物導致氫難以擴散。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合金進行處理，獲得具有良好吸放氫動力學的長周期結構 (LPSO)。
通過對晶格常數進行分析，探究了鎂合金中c/a對于儲氫能力的影響，得出高c/a能夠在氫化反應中產生更小的應力和晶格膨脹。通過對不同反應溫度下的動力學曲線進行擬合發現固溶處理后的合金具有更低的表觀活化能，從而表現出更好的吸放氫動力學性能。
圖1 XRD分析:(a) t-合金和e-合金的圖樣，(b)晶格參數
研究發現固溶處理合金中納米YH2顆粒能夠顯著提高氫化反應能力和儲氫性能，作者通過透射電鏡表征分析得到：固溶處理合金14H型 LPSO結構使得Y能夠均勻分布在基體中，其在氫化反應中的分解能夠形成納米YH2顆粒從而實現儲氫性能的提升。
圖2動力學分析(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結果:(a)顯微圖(b) HRTEM和(c) SAED的t合金(b)區域;(e) e合金(b)區域的顯微圖(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用，為長周期結構對氫化反應的催化作用進行了詳細的闡釋，為儲氫鎂合金組織的設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，這種組織調控的思路可以推廣到Mg-RE-TM合金的設計。
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