微结构工程调控BCC合金储氢性能的机制研究：Ti/(Cr+Mn)比例优化策略

针对钒基(V-based)储氢材料活化困难、室温有效储氢容量受限及循环稳定性差等瓶颈问题，研究人员通过均匀实验设计Ti-V-Cr-Mn四元合金体系，系统探究Ti/(Cr+Mn)比例对BCC相结构、热力学参数(ΔH)及动力学性能的影响。发现当Ti/(Cr+Mn)=1.11时，合金在373K下可逆容量达2.50wt%，脱氢焓降低至28.99kJ/mol H，为优化钒基固溶体储氢性能提供新思路。

　　

随着氢能大规模应用需求增长，固态储氢材料因安全性高、能量密度大成为研究热点。钒基(V-based)固溶体合金凭借3.8wt%的理论储氢容量和2wt%以上的有效容量，显著优于传统AB₂
、AB₅
型合金。然而其β-VH相热力学稳定性过高导致室温可逆容量损失达39.5%，且活化性能差、循环衰减严重制约实际应用。中国科学院研究人员通过调控Ti/(Cr+Mn)化学计量比，揭示四元合金体系微结构演化与储氢性能的构效关系，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用均匀实验设计法构建Ti_(1.1+x+y)/2
V_1.1
Cr_x
Mn_y
合金体系，结合X射线衍射(XRD)相分析、压力-组成-温度(PCT)测试和差示扫描量热法(DSC)等关键技术，系统评估不同Ti/(Cr+Mn)比例下合金的晶体结构、氢化物分解动力学及热力学参数变化规律。

【Microstructure analysis】
XRD证实所有合金保持体心立方(BCC)结构。当Ti/(Cr+Mn)>1.11时出现α-Ti相，导致储氢容量下降；比例降至2.33和1.11时形成C14 Laves相，且衍射峰右移表明晶格膨胀。这种结构演变有利于氢原子在间隙位的占据。

【Hydrogen storage properties】
PCT测试显示Ti/(Cr+Mn)比例降低使脱氢焓(ΔH)绝对值从47.55kJ/mol H降至28.99kJ/mol H，对应β-VH相稳定性显著减弱。DSC结果证实氢化物分解放热峰向低温移动，脱氢速率提升3倍以上，促进合金完全释氢。最优比例Ti/(Cr+Mn)=1.11时，373K下可逆容量达2.50wt%，较基准合金提升8.7%。

【Conclusion】
该研究阐明Ti/(Cr+Mn)比例通过三重机制调控性能：1）抑制α-Ti杂质相形成；2）诱导C14 Laves相协同增强活化特性；3）优化晶格参数降低β-VH相稳定性。所开发的成分设计策略为突破钒基合金"高容量-快动力学-长循环"协同优化难题提供新途径，推动固态储氢材料实际应用进程。

讨论指出，Cr/Mn双元素替代产生的电子协同效应比单一元素掺杂更能有效调控氢占据位点能垒。未来研究可结合透射电镜(TEM)观察缺陷分布，进一步揭示微观结构对氢扩散路径的影响机制。该工作对开发新一代高性价比储氢材料具有重要指导意义。