等离子体辅助ZrVFe吸气剂的活化与氢解吸研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Plasma-aided activation and hydrogen desorption of ZrVFe getter

本文针对金属合金吸气剂在氢循环过程中需要高温热辅助的瓶颈问题，研究了射频放电等离子体辅助ZrVFe吸气剂完成活化、吸附、解吸和再吸附循环的新方法。结果表明，氢等离子体可在5分钟内有效活化吸气剂，其解吸量比300°C加热提高20.6%，再吸附能力达到加热处理的2.25倍。该研究为低温高效实现氢循环提供了新思路，对氢存储和真空器件领域具有重要意义。

　　

在追求清洁能源的时代，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而氢气的储存和运输一直是制约其大规模应用的瓶颈。金属合金吸气剂在这方面展现出独特优势，它们能够以固体形式安全地储存大量氢气，但传统方法需要高温加热来完成活化、吸附和解吸的循环过程。这种热辅助方式不仅能耗高，而且在某些精密设备中，高温可能会损坏热敏元件。那么，有没有一种更高效、更温和的方法来实现氢气的循环利用呢？

中国科学院大连化学物理研究所的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》上发表了一项创新研究，他们发现射频放电等离子体可以替代传统加热方法，成功辅助ZrVFe吸气剂完成整个氢循环过程。这项研究为低温条件下实现高效氢循环提供了全新思路。

研究人员主要采用了射频放电等离子体技术、X射线光电子能谱(XPS)分析、X射线衍射(XRD)表征、质谱分析以及红外热成像等技术方法。通过设计特殊的石英真空腔体和铜螺线管放电装置，实现了等离子体与吸气剂的有效相互作用。

3.1. 吸气剂表征

通过XRD和XPS分析发现，未处理的ZrVFe吸气剂表面存在ZrO₂、V₂O₅和Fe₂O₃等金属氧化物钝化层。传统加热活化实验表明，活化的本质是将这些金属氧化物转化为金属状态，从而暴露出活性吸附位点。

3.2. 活化

研究发现氢等离子体可在5分钟内有效活化ZrVFe吸气剂，而300°C加热1小时几乎无法实现活化。通过对比氢等离子体、氩等离子体和单纯加热三种活化方式，证实活性氢粒子的强还原性是等离子体活化的主要因素。氢原子发射谱线(H_α)强度分析进一步验证了活性氢粒子在还原反应中的消耗。

3.3. 吸附

活化后的吸气剂在52 sccm氢气流速下能维持腔体压力低于150 Pa达1685秒。XRD分析显示氢化过程中形成了ZrH₂、ZrV₂H_1.75和Zr₃FeH_2.54等金属氢化物相。等离子体活化吸气剂的氢吸附量达到178.84 mbar·L/g，显著优于传统加热活化效果。

3.4. 解吸

氢化后的吸气剂在等离子体作用下能释放170.22 mbar·L/g的氢气，比300°C加热解吸量提高20.6%。放电图像显示等离子体与吸气剂呈层状接触，从顶部到底部逐步推进解吸过程。引入氩气会显著降低解吸效果，证实氢原子在促进解吸过程中的重要作用。

3.5. 再吸附

等离子体解吸后的吸气剂表现出优异的再吸附能力，达到94.58 mbar·L/g，是加热处理的2.25倍，表明等离子体解吸能更好地恢复吸气剂的吸附活性。

研究结论表明，射频放电等离子体不仅能有效替代传统加热方法完成ZrVFe吸气剂的氢循环过程，而且在活化效率和解吸效果方面表现出显著优势。机理研究表明，等离子体活化主要通过活性氢粒子还原金属氧化物实现，而解吸过程则涉及等离子体与吸气剂的层状表面相互作用以及氢原子促进的表面反应。

这项研究的重要意义在于为氢气的低温高效循环利用提供了创新解决方案，有望在氢存储、真空器件等领域发挥重要作用。特别是对于热敏感元件的密封真空设备，等离子体辅助方法可以有效避免高温损伤，同时提高能源利用效率。该技术路径还可能推广到其他金属氢化物体系，为清洁能源技术的发展开辟新的可能性。