一種由錳、釩、鐵同時(shí)改性的鈦鉻基儲(chǔ)氫合金及制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種經(jīng)改性的鈦鉻基儲(chǔ)氫合金及制備方法，其特征在于同時(shí)使用Ｍｎ、Ｖ和Ｆｅ三種元素同時(shí)取代合金中的部分鉻元素，經(jīng)改性的鈦鉻系合金的組成為：ＴｉＣｒ↓［Ｘ－Ｎ－Ｐ－Ｊ］Ｖ↓［Ｎ］Ｆｅ↓［Ｐ］Ｍｎ↓［Ｊ］。其中Ｘ的范圍為１．６５≤Ｘ≤２．１，Ｎ的范圍為０＜Ｎ≤１．２，Ｐ的范圍為０＜Ｐ≤０．５，Ｊ的范圍為０＜Ｊ≤０．５。合金的制備是按組成范圍稱量混合后在氬氣氛保護(hù)下完合熔煉３－４次，充分熔融后，在２０００℃保持５分鐘以上，然后在氬氣保護(hù)下快淬，快淬速度為１５－２５ｍ／ｓ。所制備合金在０℃時(shí)的最大吸氫量超過(guò)了２．３ｗｔ％。（*該技術(shù)在2024年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種用錳、釩、鐵三元素同時(shí)改性的鈦鉻基儲(chǔ)氫合金及制備方法。更確切地說(shuō)，本專利技術(shù)通過(guò)在鈦鉻合金中添加Mn、V、Fe三種改性元素，提高合金的儲(chǔ)氫量，從而使這類材料可以作為大規(guī)模氫源的儲(chǔ)氫材料，屬于儲(chǔ)氫合金領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)能源危機(jī)的加劇和以氫為燃料的電動(dòng)汽車(chē)等其它可以使用氫作為替代燃料的機(jī)械的發(fā)展，氫正越來(lái)越得到人類的重視。在開(kāi)發(fā)氫的各種新用途的過(guò)程中，氫的存儲(chǔ)方式越來(lái)越受到人們的重視。目前正在使用的儲(chǔ)氫方式包括高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物以及吸附存儲(chǔ)。高壓儲(chǔ)氫由于氫的壓力較高，而且氫容易泄露而發(fā)生危險(xiǎn)，非常不適合作為移動(dòng)的氫源。液態(tài)儲(chǔ)氫需要低溫，氫的揮發(fā)也較嚴(yán)重，液化過(guò)程耗能大，也不適合做為移動(dòng)的氫源。氫的吸附存儲(chǔ)儲(chǔ)氫量較低，放氫也需要一定的附屬設(shè)備，作為移動(dòng)的儲(chǔ)氫裝置也不方便。金屬氫化物儲(chǔ)氫是目前比較成熟的可以作為移動(dòng)儲(chǔ)氫的一種方式。該方式的儲(chǔ)氫量在各種方式中是最高的，是一種非常理想的儲(chǔ)氫方式。目前已開(kāi)發(fā)出的各種儲(chǔ)氫合金可以分為AB5、AB2、AB以及A2B型等。AB5型儲(chǔ)氫合金以LaNi5合金為代表，儲(chǔ)氫質(zhì)量比低于1.4wt％；AB2型儲(chǔ)氫合金以TiMn2和TiCr2合金為代表，儲(chǔ)氫量一般不超過(guò)1.8wt％；AB型儲(chǔ)氫合金以TiFe合金為代表，儲(chǔ)氫量一般也不超過(guò)1.8wt％，而且該合金的活化困難；A2B型儲(chǔ)氫合金以Mg2Ni合金為代表，儲(chǔ)氫量一般大于3wt％，但該合金的放氫溫度超過(guò)250℃限制了它的應(yīng)用，此合金一般應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域。TiCr2儲(chǔ)氫合金作為AB2型儲(chǔ)氫合金的代表之一，1978年該合金首次在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次被發(fā)現(xiàn)具有儲(chǔ)氫功能。1980年其發(fā)現(xiàn)者J.R.Johnson發(fā)表了有關(guān)該合金儲(chǔ)氫性能的一些報(bào)道(J.R.Johnson J.Less-Common Metals，1980，73345)。1983年，J.R.Johnson又報(bào)道了該合金的金屬氫化物TiCr1.8H5.3，但是此時(shí)合金的吸氫壓力超過(guò)1000大氣壓，溫度為-78℃，這樣苛刻的吸氫條件非常不適合實(shí)際應(yīng)用。由于TiCr2合金在通常條件下，吸氫量較低，自從發(fā)現(xiàn)后一直沒(méi)有得到足夠的重視。近年來(lái)，由于技術(shù)發(fā)展的需要，高容量?jī)?chǔ)氫合金的發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視，TiCr2合金的研究也重新成為研究的熱點(diǎn)(Bououdina M.，Enoki H.，Akiba E.J.Alloys and Compounds 1998，281290；Beeri O.，Cohen D.，JohnsonJ.R.Mintz M.H.J.Alloys and Compounds 1998，267113)。但研究結(jié)果表明合金只有在氫氣壓力極高和溫度非常低條件下才能吸附大量的氫，在通常條件下合金的儲(chǔ)氫性能不能得到充分的發(fā)揮。為了改進(jìn)該合金的使用條件，降低合金的吸氫壓力，提高吸氫溫度，V已被用來(lái)改善合金的使用條件(D.S.dos Santos，M.Bououdina，D.Fruchart，Journal of Alloys and Compounds 2002，340101)。但高純V的價(jià)格較高，純度超過(guò)99％的V價(jià)格超過(guò)1500元人民幣。如此高的價(jià)格顯然在實(shí)用性方面存在一定問(wèn)題。Ni也是一種重要的儲(chǔ)氫合金元素，該元素通常用在作為L(zhǎng)aNi5合金應(yīng)用在鎳氫電池的負(fù)極中，Ni的存在可以降低合金吸放氫過(guò)程的焓變(S.J.Gao，L.J.Huang，Journal of Alloys and Compounds 1999，293-295412)。Mn也經(jīng)常用來(lái)降低合金的吸氫平臺(tái)壓力和提高活化性能。基于目前現(xiàn)狀，本專利技術(shù)人試圖以多個(gè)(2個(gè)和2個(gè)以上)元素?fù)诫s來(lái)改性鈦鉻合金，以提高其儲(chǔ)氫量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種經(jīng)錳、釩、鐵三元素同時(shí)改性的鈦鉻基儲(chǔ)氫合金及制備方法。本專利技術(shù)試圖通過(guò)在TiCr2合金中添加Mn、V、Fe三種元素，提高合金的儲(chǔ)氫量，降低合金的吸氫平臺(tái)壓力，使合金在常溫常壓條件下也具有較高的儲(chǔ)氫量，更適合作為大規(guī)模用氫的氫源。同時(shí)，為了降低合金的成本，本專利技術(shù)采用價(jià)格低廉的VFe合金取代原來(lái)合金中的純V，成本得到了極大的降低。Mn、V和Fe元素可以調(diào)節(jié)氫與金屬間的作用力，V元素同時(shí)還是重要的構(gòu)成儲(chǔ)氫合金的重要元素之一，同時(shí)Ti與V也可以形成TiV合金，該合金也是重要的儲(chǔ)氫合金。雖然Fe元素與氫發(fā)生反應(yīng)的幾率較小，但是Fe元素可以調(diào)節(jié)氫與其他元素的作用力，改善合金的活化性能。在合金吸氫時(shí)促進(jìn)氫的吸收，而放氫時(shí)又可以加快放氫的速度。基于以上理解本專利技術(shù)通過(guò)使用V、Fe取代合金中的部分Cr元素，改善金屬元素與氫的結(jié)合力，明顯提高了合金的儲(chǔ)氫量。降低了合金的平臺(tái)壓力，合金的放氫量明顯增加。因此，本專利技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新組分的儲(chǔ)氫合金，提高了合金的儲(chǔ)氫量，改善了活化條件。本專利技術(shù)提供的經(jīng)改性的儲(chǔ)氫合金的組分表達(dá)式為T(mén)iCrX-N-P-JVNFePMnJ。其中X的范圍為1.65≤X≤2.1，推薦范圍為1.75≤X≤1.9；其中N的范圍為0＜N≤1.2，推薦范圍為0.3≤N≤0.9；其中P的范圍為0＜P≤0.5，推薦范圍為0.05≤P≤0.3；其中J的范圍為0＜J≤0.5，推薦范圍為0.05≤J≤0.3；本專利技術(shù)中提出的改性鈦鉻系儲(chǔ)氫合金可以用通常的合金制備方法制備，具體是先按比例稱量各組分相應(yīng)質(zhì)量的金屬單質(zhì)(金屬純度為T(mén)i≥99％，Cr≥99％，V≥99％，F(xiàn)e≥99％，Mn≥99％)，混勻然后在氬氣氣氛保護(hù)下完全熔煉3～4次，即可得到相應(yīng)組分的合金，合金的熔融后，在2000℃以上保持5分鐘以上，使合金組分充分混合均勻。如果采用釩鐵合金取代合金中的部分或全部的釩或鐵，合金中釩與鐵的重量比例之和要大于99％。為了粉碎該合金，可以在快淬爐中在氬氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行快淬，快淬線速度為15～25m/s，得到條狀或薄片狀合金。該合金在未活化時(shí)也易于與空氣接觸產(chǎn)生氧化，從而形成金屬氧化物抑制合金的活化性能。該合金如制備完成后長(zhǎng)時(shí)間不使用，應(yīng)置于惰性氣氛保護(hù)下。相應(yīng)合金在空氣中經(jīng)機(jī)械粉碎后80目過(guò)篩，取樣進(jìn)行壓力-組分-溫度測(cè)試；在吸放氫設(shè)備中對(duì)合金進(jìn)行不同壓力下的吸放氫測(cè)試。測(cè)定溫度和氫氣壓力對(duì)其儲(chǔ)氫量的影響。本專利技術(shù)提供的TiCrX-N-P-JVNFePMnJ合金組成中含有V、Fe和Mn三種元素。V、Fe和Mn同時(shí)取代合金中的部分Cr元素，合金中出現(xiàn)了新的合金相，合金的吸放氫量得到明顯提高。該合金的儲(chǔ)氫量超過(guò)2.0wt％，最高可超過(guò)2.3wt％，可以作為大規(guī)模氫源的儲(chǔ)氫材料，應(yīng)用在燃料電池等其它方面。附圖說(shuō)明圖1是TiCr1.8合金的X射線衍射圖。圖2是TiCr0.96V0.79Fe0.11Mn0.1合金的X射線衍射圖。圖3是TiCr0.96V0.79Fe0.11Mn0.1合金在0℃時(shí)的吸放氫(PCT)曲線。圖4是TiCr1.0V0.57Fe0.08Mn0.2合金在0℃時(shí)的吸放氫(PCT)曲線。圖5是TiCr1.0V0.6Fe0.1Mn0.2合金在0℃時(shí)的吸放氫(PCT)曲線。圖3-5中縱坐標(biāo)為合金吸氫時(shí)的氫氣壓力，單位為大氣壓(atm)。橫坐標(biāo)為合金的吸氫量與合金的重量百分比。具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本專利技術(shù)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種經(jīng)改性的鈦鉻系儲(chǔ)氫合金，其特征在于同時(shí)使用Ｍｎ、Ｖ和Ｆｅ三種元素取代合金中的部分鉻元素，經(jīng)改性的鈦鉻系合金的組成為ＴｉＣｒ↓［Ｘ－Ｎ－Ｐ－Ｊ］Ｖ↓［Ｎ］Ｆｅ↓［Ｐ］Ｍｎ↓［Ｊ］，其中Ｘ的范圍為１．６５≤Ｘ≤２．１，Ｎ的范圍為０＜Ｎ≤１．２，Ｐ的范圍為０＜Ｐ≤０．５，Ｊ的范圍為：０＜Ｊ≤０．５。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃太仲，吳鑄，馮尚龍，陳金舟，余學(xué)斌，夏保佳，余乃欣，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：31[中國(guó)|上海]