不同制备方法下Ti0.75Zr0.25Mn0.9CrFe0.1合金的储氢性能

《RSC Advances》：Hydrogen storage performance of Ti 0.75Zr 0.25Mn 0.9CrFe 0.1 alloy with different preparation methods

　　

研究人员采用电弧熔炼和磁悬浮熔炼方法制备了Ti_0.75Zr_0.25Mn_0.9CrFe_0.1合金，并进一步对电弧熔炼合金进行了熔体快淬和退火处理。研究人员系统研究了不同制备方法对合金微观结构和储氢性能的影响。所有合金均呈现单一C14-Laves相结构。电弧熔炼、退火和磁悬浮熔炼合金表现出明显的Zr元素析出，而熔体快淬合金未检测到明显的元素偏析。晶胞体积按以下顺序递减：电弧熔炼（AM）>熔体快淬（MS）>退火（AN）>磁悬浮熔炼（ML）合金。合金的平台压力顺序为：AM**论文解读：不同制备方法对Ti_0.75Zr_0.25Mn_0.9CrFe_0.1合金储氢性能的影响**

**研究背景与意义**
随着能源危机加剧和环境问题恶化，寻找清洁替代能源成为迫切需求。氢能因其储量丰富、热值高且无污染副产物而备受关注，但安全高效储运技术仍是其大规模应用的关键瓶颈。金属氢化物储氢相比高压气态和低温液态储氢具有安全性和能量密度优势。Ti-Mn基合金因其良好的活化性能、低成本和快速动力学特性而受到重视，但存在平台斜率和滞后等问题。元素替代和制备工艺是优化储氢性能的重要途径。此前研究表明，Ti_0.75Zr_0.25Mn_0.9CrFe_0.1合金具有高储氢容量和优异动力学特性，但不同制备方法对微观结构和性能的影响尚需系统研究。本研究旨在通过对比电弧熔炼、磁悬浮熔炼、熔体快淬和退火处理，评估这些方法对合金储氢性能的改善潜力，为高性能储氢合金的开发提供理论依据。该研究发表在《RSC Advances》。

**关键技术方法**
研究人员采用四种制备方法：电弧熔炼（AM）、磁悬浮熔炼（ML）、熔体快淬（MS）和退火（AN）。其中，AM合金经熔体快淬（轮速800 m min^-1）和退火（1085 K，5 h）处理。结构表征使用X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修分析相结构和晶格参数，扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）观察表面形貌和元素分布，激光粒度仪测定粒径分布。储氢性能通过Sieverts型装置测量压力-组成-温度（P-C-T）曲线和动力学曲线，测试温度303 K、318 K和333 K，最大氢压7 MPa。样本来源为沈阳航空航天大学实验室制备的合金样品。

**研究结果**
**3.1 结构分析**
XRD结果显示，所有合金均保持单一C14 Laves相（空间群P63/mmc）。与AM相比，ML、AN和MS合金的衍射峰右移，表明晶胞体积减小。Rietveld精修表明，晶胞体积顺序为AM>MS>AN>ML，且MS合金的衍射峰强度最高，结晶度最好。SEM-EDS分析显示，AM、AN和ML合金存在明显的Zr元素偏析，而MS合金元素分布均匀，归因于快速凝固抑制偏析。

**3.2 储氢性能**
P-C-T曲线表明，在303 K下，平台压力顺序为AMf = ln(P_abs/P_des)）在MS合金中最低，而AN和ML合金高于AM，这与XRD的FWHM值相关，表明晶格应变影响滞后。斜率因子（S_f = ln(P_75%/P_15%)）在MS合金中最下，因成分均匀性最佳，其他方法因Zr偏析导致平台倾斜。

**3.3 氢吸收动力学性能**
所有合金在303 K、318 K和333 K下均能在300秒内达到饱和，显示良好动力学。温度升高时，氢吸收速率减慢，因平台压力升至驱动力下降。Chou模型拟合表明，控速步骤为氢原子在金属氢化物中的扩散控制。t_90%顺序为ML>AN>MS>AM，与平台压力顺序一致，即平台压力越低，吸收速率越快。

**3.4 热力学性质**
Van't Hoff曲线拟合（R² > 0.99）表明，氢吸收焓变（ΔH_abs）介于-18.3至-19.9 kJ mol^-1，脱氢焓变（ΔH_des）介于22.6至23.5 kJ mol^-1。焓变绝对值顺序为AM>MS>AN>ML，与晶胞体积趋势一致，表明晶胞体积越小，氢化物稳定性越低。这与Li等人提出的电子密度参数相关。

**3.5 氢循环性能**
氢吸收/脱附后，XRD显示所有合金保持C14相，但衍射峰宽化，表明微应变增加或晶粒细化。SEM观察到颗粒表面裂纹，归因于氢原子反复进出导致的晶格应力。粒径分布显示，MS合金平均粒径最大（12.44 μm），其他合金相似（约9 μm）。MS合金的a/c比值（0.6111）高于其他合金，表明其抗粉化性更强，因a/c值直接影响韧性。

**结论与讨论**
讨论部分强调，熔体快淬通过快速凝固实现了均匀元素分布、减少缺陷和应变，从而降低滞后和斜率因子，并提高抗粉化性。退火和磁悬浮熔炼虽能调整平台压力，但增加偏析和应变，性能劣化。研究结论指出，Ti_0.75Zr_0.25Mn_0.9CrFe_0.1合金在四种制备方法下均保持单一C14相，晶胞体积顺序为AM>MS>AN>ML。平台压力顺序为AM

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