钛基合金复合材料的电化学储氢研究

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近年来,具有良好电化学性能的Ti基合金可以潜在的应用于新能源和储能材料中。本论文以Ti49Zr26Ni25合金为研究对象,通过掺杂多壁碳纳米管(MWCNTs)、介孔α-Fe2O3颗粒和Cd/Pd核/壳材料形成以Ti基合金为主体的复合材料,并研究Ti49Zr26Ni25复合材料的结构及其电化学储氢性能,本论文的研究内容包括:(1)采用机械合金化技术制备Ti49Zr26Ni25准晶。通过球磨获得了掺杂多壁碳纳米管(MWCNTs)的Ti49Zr26Ni25合金复合材料,掺杂后获得了较小的合金颗粒。研究表明,与原始的Ti49Zr26Ni25合金相比,该复合材料的放电容量、倍率性能、循环稳定性均有较大提高,电荷转移电阻更低。当掺杂MWCNTs的量为5 wt.%时,最佳放电容量为254.2 mAh/g,容量保持率为63.1%。由于MWCNTs的润滑作用和电催化作用使Ti49Zr26Ni25合金的粒径减小,比表面积增加,因而提供了快速的氢传输通道,改善了合金的电化学性能。(2)通过机械合金化法制备Ti49Zr26Ni25准晶体合金。通过使用壳聚糖为模板的水热法获得介孔α-Fe2O3颗粒。Ti49Zr26Ni25合金与不同量的介孔α-Fe2O3混合制备出复合材料,以增强Ti49Zr26Ni25的电化学性能。复合材料的放电容量高于Ti49Zr26Ni25合金的放电容量,并且在5%的α-Fe2O3添加剂含量下达到最大(259.6mAh/g)。此外,该合金复合材料显示出良好的的高倍率放电性能。掺杂α-Fe2O3后,容量衰减率和电荷转移电阻均降低,提高了电化学反应动力学。α-Fe2O3的大比表面积和介孔结构也有利于氢在合金内部的快速传输,从而提高合金电极的放电容量。(3)通过两步还原法获得Cd/Pd核/壳材料。通过球磨法制备了Ti49Zr26Ni25+x Cd/Pd(x=3、5和7 wt.%)复合合金。研究表明,对于7%添加量的Cd/Pd,实现了最大放电容量272.9 mAh/g,并且Ti49Zr26Ni25+5%Cd/Pd表现出最佳的循环稳定性。此外,Ti49Zr26Ni25+Cd/Pd比Ti49Zr26Ni25+Pd和Ti49Zr26Ni25合金具有更高的容量,更优异的循环稳定性和高倍率放电性能。Ti49Zr26Ni25+Cd/Pd复合材料独特的表面结构使金属物质的溶解和腐蚀受到抑制。Cd/Pd材料独特的核/壳微观结构进一步改善Ti49Zr26Ni25电极的反应动力学和电化学活性。
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