制备工艺和加工方法对基于TiFe金属间化合物的储氢合金活化性能及氢吸附性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Influence of preparation and processing routes on the activation and hydrogen sorption performance of hydrogen storage alloys based on TiFe intermetallic

氢存储合金TiFe通过电弧熔化和感应熔化制备，添加2%混合金属脱氧剂可降低激活条件。感应熔化于掺杂熔融氧化镁坩埚中进行，合金成分接近TiFe stoichiometry。球磨并添加镍纳米颗粒沉积于类石墨烯材料后，吸氢性能显著提升，无需真空加热即可快速吸氢。

　　

B.P. 塔拉索夫 | P.V. 弗尔西科夫 | A.A. 阿尔布佐夫 | I.D. 沙莫夫 | S.A. 梅尔尼科夫 | V.V. 桑宁 | S.Y. 拉奇科 | M.W. 戴维兹 | T.C. 马丁 | M.V. 洛托茨基

俄罗斯科学院化学物理与药物化学问题联邦研究中心（FRC PCP MC RAS），切尔诺戈洛夫卡 142432，俄罗斯联邦

摘要

通过不同的方法制备了成分接近化学计量比的TiFe金属间化合物的储氢合金，包括电弧熔炼以及在掺有CaZrO₃和Y₂O₃的镁坩埚中进行的多种感应熔炼工艺。正如预期的那样，TiFe合金只有在经过多次活化处理后才能完全吸氢，这些活化处理包括在450–500°C的真空条件下加热，随后暴露于加压氢气中。同时，在感应熔炼过程中加入2%的混合金属脱氧剂可以降低活化所需的条件。当合金成分（Fe、Ti）和脱氧剂在熔炼前直接加入坩埚时，效果最佳。性能的提升主要归因于合金中形成了稀土氧化物沉积物，这些沉积物破坏了表面氧化层的连续性，从而抑制了氢的吸收。通过在氢气中球磨这些合金（特别是添加了2%的镍纳米颗粒），其活化性能得到了进一步改善。经过这种处理的材料即使在短期暴露于空气中后，也能快速吸收氢气，而无需真空加热。

部分内容

引言

TiFe金属间化合物是一种有前景的储氢合金，它结合了适用于多种应用的氢吸附性能（在低于50巴的H₂压力和接近室温的条件下可逆吸附高达1.9%的氢），同时具有低成本和原料易获取的优点[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7]。然而，即使是在H₂–TiFe体系的固态或气相中引入少量的非金属杂质（尤其是含氧杂质），也会对其性能产生影响。

合金的制备

本研究的样品包括通过电弧熔炼制备的参考合金（简称AM）以及几批通过感应熔炼制备的合金（简称IM）。所有合金均在铸态下进行研究，未进行退火处理。通过从锭材不同部位取出的多个样品（通常为3–4个）几乎相同的XRD结果，证实了感应熔炼合金的成分均匀性。

电弧熔炼的合金（AM）是在HySA Systems公司的MAM–1设备中制备的。

成分

表1列出了原料的成分数据以及制备好的合金的化学分析结果。

我们注意到，所有研究合金的目标成分均接近TiFe的化学计量比（Ti:Fe=1），并且通过反复试验调整了起始原料的成分以达到这一比例。根据化学分析结果（表1），平均TiFe比例为1.05±0.05，最大偏差为...

结论

我们开发了一种先进的TiFe基储氢合金制备方法，即在预先形成的镁基坩埚中通过感应熔炼合金，随后进行铸造。研究表明，将工业级合金成分铁和钛在真空条件下共熔，并加入少量混合金属脱氧剂，可以制备出活化性能最佳的合金，其原因在于...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了俄罗斯科学基金会（项目编号23-13-00418）的财政支持：https://rscf.ru/project/23-13-00418/。南非团队的工作得到了南非科学技术创新部（项目编号KP6-S01）的财政支持。