铈含量对A2B7型镧-铈-钇-镍合金结构与储氢性能的调控机制研究

针对稀土储氢合金中铈元素利用率低的问题，研究人员系统研究了La2–xCexY4Ni21（x=0.5-2）合金的结构与性能关系。发现铈含量增加会降低H2存储容量但提升吸放氢平台压力，通过调控A2B4/AB5亚单元体积变化实现双平台向单平台的转变，为稀土资源高值化利用提供新思路。

　　

【研究背景】
在全球能源转型的迫切需求下，氢能因其清洁高效特性成为替代化石燃料的理想选择。然而氢气的安全高效存储仍是制约其应用的关键瓶颈。金属氢化物储氢技术凭借其体积储氢密度高、安全性好等优势备受关注，其中La-Y-Ni基稀土储氢合金因其卓越的A₂B₇型结构特性展现出巨大潜力。但当前稀土资源利用存在严重不平衡——矿物中占比70%的镧(La)和铈(Ce)经济价值不足10%，如何通过铈元素掺杂实现性能调控与资源高值化利用，成为该领域亟待解决的科学问题。

【研究概况】
内蒙古自然科学基金等项目支持的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表最新成果，通过粉末烧结法制备La_2–xCe_xY₄Ni₂₁（x=0.5-2）系列合金，结合高分辨同步辐射X射线衍射(HR-SR-XRD)、压力-组成等温线测试等技术，首次阐明铈含量对A₂B₇型合金亚单元结构的特异性调控机制。

【关键技术】
研究采用AB₅型和A₂B₄型前驱体分步烧结法制备目标合金；通过ICP-OES验证成分准确性；利用HR-SR-XRD解析晶体结构演变；采用Sieverts装置测试PCT曲线；通过电化学工作站评估放电容量及高倍率放电性能(HRD)；结合SEM/EDS分析循环后形貌变化。

【研究结果】

1. 结构特征
   所有合金仅含Ce₂Ni₇和Gd₂Co₇两相，铈原子均等占据A₂B₄和AB₅亚单元位点。随着铈含量增加，晶格参数呈线性减小（La_0.5Ce_1.5Y₄Ni₂₁的c轴缩短0.12%），这是由于Ce³⁺（1.034?）半径小于La³⁺（1.032?）。

2. 储氢性能
   气相储氢容量从x=0.5时的1.42wt%降至x=2时的1.23wt%，但吸放氢平台压力显著提升。特别发现A₂B₄亚单元（对应低压平台）体积收缩率比AB₅亚单元（高压平台）高18%，导致双氢化平台逐渐融合为单平台。

3. 电化学特性
   富铈合金（x=1.5）展现最佳HRD₃₀₀₀性能（66.97%），但循环稳定性较差（100次循环后容量保持率仅68.5%）。SEM显示循环后严重粉化现象，EDS证实表面形成CeO₂腐蚀层，这是容量衰减的主因。

【结论与意义】
该研究首次揭示铈元素通过差异化调控A₂B₄/AB₅亚单元体积来改变储氢平台特性的新机制，为设计单平台型储氢合金提供理论指导。虽然铈掺杂会牺牲部分容量，但显著提升了合金的HRD性能，这种"性能-成本"的平衡策略对推动稀土资源的高效利用具有重要实践价值。研究提出的"亚单元选择性调控"思路，为开发新一代高性价比储氢材料开辟了新途径。