Mg-In-M(M=Y,Ni)三元固溶体合金的制备及储氢性能研究

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纯镁具有储氢量高(7.6wt.%)、可逆性好、资源丰富、价格低廉等诸多优点而成为一种极具潜力的储氢材料。但是,其吸放氢动力学差和热力学上过于稳定限制了其实际应用。在热力学改善方面,有研究报道,利用形成一种镁铟固溶体,能够降低Mg与H2的反应焓,但反应温度并没有降低且动力学差,因此有必要通过添加其他组元进一步改善其储氢性能。本文利用烧结和机械合金化的方法制备了Mg90In5Y5、Mg90In5Ni5、Mg81.8In4.6Ni13.6的合金粉末。采用X射线衍射、DSC分析、SEM分析等对材料结构进行表征,并利用Sivert方法对合金的储氢性能进行研究,阐明了Mg(In, Y)三元固溶体的吸放氢反应机理以及添加Ni对Mg(In)固溶体在吸放氢过程中的结构转变和储氢性能的影响,取得了以下研究成果:In的存在和球磨扩展了Y在Mg中的固溶度,成功合成了Mg(In, Y)三元固溶体。Mg(In, Y)固溶体在吸氢后生成了中间相β和In3Y相,放氢后可逆的回到三元固溶体;同时生成了YH3,在吸放氢过程中发生YH2YH3的转变,对体系的吸放氢反应起到催化作用。中间相β和In3Y的参与促进了MgH2的分解,其吸放氢可逆相变使得固溶体合金的脱氢反应焓降低到62.9kJ/mol。放氢温度较纯MgH2降低了84K,较Mg(In)二元固溶体降低了60K。Mg90In5Y5合金具有良好的吸放氢动力学性能,吸氢激活能为58kJ/mol,放氢激活能为145.6kJ/mol。Ni与Mg(In)固溶体在球磨过程中没有发生任何反应。Mg90In5Ni5合金在首次吸氢时,生成MgH2、Mg2NiH4和含In的未知相X1。放氢时,Mg2NiH4与X1反应生成Mg3In、InNi2以及未知相X2,MgH2直接发生分解而没有回到固溶体。添加更多Ni的Mg81.8In4.6Ni13.6合金的吸放氢过程与Mg90In5Ni5合金基本类似,但是吸氢时生成了InMg相以及更多的Mg2NiH4,在放氢时,Mg2NiH4除了分解生成InNi2和未知相X2外,还生成了Mg2Ni;MgH2与InMg发生与Mg(In)固溶体相似的反应,In部分回到固溶体。Mg-In-Ni体系的脱氢反应焓基本没有降低,放氢温度有所降低。Mg90In5Ni5合金具有非常优异的吸放氢动力学性能,温度为453K时,合金可以在5min内吸氢饱和,而在553K下可以在30min内放氢完全,吸氢和放氢的激活能分别为33.8kJ/mol和58kJ/mol。
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