Li-Mg-Al-Ti-M基轻质高熵合金的氢吸收与解吸性能

《Next Materials》：Hydrogen absorption and desorption properties of Li-Mg-Al-Ti- M based lightweight high entropy alloys

氢能存储合金 Li-Mg-Al-Ti-M 和 Li-Mg-Al-Ti-Nb 的氢吸收/脱除性能及相结构演变研究表明：等原子比 Li20Mg20Al20Ti20V20 在 250℃ 下吸氢量达 H/M=0.74（2.3wt% H2），但存在 Mg 相分离；通过机械合金化调控成分获得的单相 BCC 结构合金 Li8Mg8Al28Ti28V28 和 Li8Mg8Al28Ti28Nb28，室温吸氢量分别为 H/M=0.43（1.1wt% H2）和 0.68（1.4wt% H2），且吸脱氢循环中未发生相分离，BCC 相晶格常数随吸氢量增加，证实氢以固溶态存在。该研究为轻量化高熵合金氢能应用提供了结构-性能关联新证据。

　　氢能源作为一种清洁能源，近年来在多个领域受到了广泛关注，特别是在燃料电池和氢燃料汽车的发展中，氢存储材料的性能成为研究的核心课题之一。为了满足这些应用对氢存储材料的高容量和高效率需求，科学家们一直在探索新的材料体系，其中高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）因其独特的结构和性能展现出巨大的潜力。高熵合金通常由五种或更多金属元素以接近等原子比组成，其高混合熵特性使其在固溶态下表现出良好的热力学稳定性。此外，这些合金在氢吸收和释放过程中表现出优异的性能，这使得它们成为研究氢存储材料的重要方向。

本研究主要聚焦于以锂（Li）、镁（Mg）、铝（Al）、钛（Ti）和钒（V）或铌（Nb）为组分的轻质高熵合金，旨在通过机械合金化（Mechanical Alloying, MA）技术合成这些材料，并评估其氢存储性能。与传统的氢存储材料相比，这些轻质合金由于其较低的密度，能够在保持相同氢含量（H/M）的情况下实现更高的重量氢容量（gravimetric capacity）。同时，研究还关注了这些材料在氢吸收和释放过程中的相变行为，以期通过优化材料结构和成分，减少相分离现象，从而提高其循环性能和实际应用价值。

在实验部分，研究者使用了机械合金化技术来合成所需的合金样品。这一过程通常涉及将不同金属粉末在球磨机中进行高强度的研磨，从而实现原子级别的混合和结构的形成。为了确保实验的准确性，整个过程在氩气氛围下进行，以减少氧化反应的影响。随后，通过差示扫描量热法（DSC）和压力-组成-温度（PCT）测量，评估了这些合金在不同温度下的氢吸收和释放能力。这些方法能够帮助研究者理解材料在不同条件下的吸氢行为，包括其吸收和释放氢气的压力、温度以及相变过程。

在研究过程中，发现Li-Mg-Al-Ti-V和Li-Mg-Al-Ti-Nb这两种轻质高熵合金具有不同的氢存储特性。其中，Li-Mg-Al-Ti-V合金由两种BCC相组成，分别是Ti-V基相和Li-Mg基相。在250°C下，这种合金能够吸收高达H/M=0.74（对应2.3 wt% H?）的氢气，但其在氢吸收和释放过程中表现出明显的相分离现象，导致部分镁（Mg）从Li-Mg基相中析出。这一现象可能影响其氢存储的可逆性，进而影响其在实际应用中的表现。

相比之下，Li-Mg-Al-Ti-Nb合金则表现出更稳定的氢存储性能。该合金在室温下吸收氢气的H/M值为0.68（对应1.4 wt% H?），而在250°C下吸收的氢气量进一步增加至H/M=1.14（对应3.0 wt% H?）。值得注意的是，Li-Mg-Al-Ti-Nb合金在氢吸收和释放过程中没有观察到明显的相分离现象，这表明其在氢存储过程中具有更高的可逆性和稳定性。这种特性对于实际应用非常重要，因为氢存储材料需要在多次充放氢循环中保持性能不变。

为了进一步研究这些材料的微观结构及其对氢存储性能的影响，研究者使用了扫描透射电子显微镜（STEM）和能量散射光谱（EDS）等技术。这些实验结果表明，Li-Mg-Al-Ti-Nb合金在吸氢前后，其元素分布仍然保持均匀，没有出现明显的相分离现象。而Li-Mg-Al-Ti-V合金在吸氢后，出现了新的相变，表明其在氢存储过程中存在一定的不稳定性。因此，研究者认为，优化合金成分，减少相分离，可能是提高氢存储性能的关键。

此外，研究还发现，这些轻质高熵合金的氢存储能力虽然尚未达到某些传统氢存储材料的水平，但其较低的密度使其在重量氢容量方面具有显著优势。例如，Li-Mg-Al-Ti-Nb合金的密度为4.5 g/cm3，而TiVZrNbHf合金的密度则高达8.9 g/cm3。这意味着，即使在相同的H/M值下，轻质高熵合金的重量氢容量仍然更高，这使其在氢燃料汽车等应用中具有更大的潜力。

研究者还探讨了这些合金在实际应用中可能面临的挑战。例如，虽然它们在氢存储方面表现出一定的优势，但目前的H/M值仍需进一步提高，以满足更高的存储需求。此外，氢释放的温度较高，可能会影响其在实际设备中的使用效率。因此，未来的研究需要针对这些问题进行优化，例如通过调整合金成分或引入其他元素，以提高其氢吸收和释放的效率。

综上所述，本研究通过对Li-Mg-Al-Ti-V和Li-Mg-Al-Ti-Nb两种轻质高熵合金的氢存储性能进行系统评估，揭示了它们在不同条件下的表现差异。研究结果表明，Li-Mg-Al-Ti-Nb合金在氢存储方面表现出更高的稳定性和可逆性，这使其成为氢燃料汽车等应用的潜在候选材料。然而，为了实现更广泛的应用，还需要进一步优化其性能，特别是在提高氢存储容量和降低氢释放温度方面。未来的研究可能会集中在如何通过材料设计和合成技术的改进，来提升这些轻质高熵合金的性能，使其更加适用于实际的氢存储系统。