钛铁系储氢合金

储氢合金的分类与基本性能储氢合金按组成元素的主要种类分为: 稀土系、钛系、锆系、镁系四大类，按主要组成元素的原子比分为:AB5 型、AB2 型、AB 型、A2B 型, 另外也可按晶态与非晶态, 粉末与薄膜进行分类。

储氢合金基本特征：二元储氢合金(或金属间化合物) 基本上是在1970 年前后相继被发现的. 这些二元储氢合金可分为AB5 型(稀土系合金,如形成LaNi5H6 )、AB2 型(Laves 相合金,如形成ZrV2H4.8 ) 、AB 型(钛系合金,如形成TiFeH1.9) 和A2B 型(镁基合金,如形成Mg2NiH4) .其中A 为氢化物稳定性元素(发热型金属) ,B 为氢化物不稳定性元素(吸热型金属) ,A 原子半径大于B 原子半径. 氢在金属和合金中比液态氢的密度高,氢能够在相对温和的条件下可逆吸放,并且伴随热的释放与吸收. 实验检测和模拟计算证明,氢主要以原子形式存在,部分带有负电荷。

1稀土系储氢合金稀土系储氢合金以LaNi5 为代表, 可用通式AB5 表示, 具有CaCu5 型六方结构。

性能：较高的吸氢能力(储氢量高达1.37 重量% ) ,较易活化,对杂质不敏感以及吸脱氢不需高温高压(当释放温度高于40℃时放氢就很迅速) 等优良特性。

应用领域：是热泵、电池、空调器等应用中的理想候选材料,有很大的应用潜力。

影响元素、改进性能的研究方法：合金吸氢后晶胞体积膨胀较大, 易粉化, 比表面随之增大, 从而增大合金氧化的机会, 使合金过早失去吸放氢能力。

这就使氢镍电池中储氢容量衰减快, 而且价格昂贵。

由于纯稀土金属价格昂贵不能满足工业生产的大量需求, 为了降低成本, 人们利用混合稀土(Mm: La、Ce、Nd、Pr)、Ca、Ti 等置换LaNi5 中的部分La, 以Co、A l、M n、Fe、Cr、Cu、Si、Sn 等置换Ni 以改善性能, 开发出多元混合稀土储氢合金。

混合稀土储氢合金材料有富铈的和富镧的, 其优点是资源丰富, 成本较低。

储氢合金材料何洋 材料科学与工程一班 200911102016摘要：由于石油等资源有限以及保护环境的要求，改变能源的构成已成为迫切的问题。

作为绿色能源的氢能登上历史舞台，本文介绍了金属储氢的相关原理，以及储氢材料的应用范围。

关键词：储氢合金；原理；应用氢是一种非常重要的二次能源。

它的资源丰富；发热值高，燃烧1kg 氢可产生142120kJ 的热量，比任何一种化学燃料的发热值都高；氢燃烧后生成水，不污染环境。

因此，氢能是未来能源最佳选择之一。

氢气是可再生和最清洁的气体能源，这使关于氢能的研究更具重要性。

氢的利用主要包括氢的生产、储存和运输、应用三个方面。

而氢的储存是其中的关键。

氢气储存技术的滞后，限制了氢的大规模应用，特别是交通工具上的应用。

而后者要求系统储氢能力必须达到6.5wt%（重量能量密度）。

据报道，美国能源部所有氢能研究经费中有50%用于氢气的储存。

氢能作为一种新型的能量密度高的绿色能源,正引起世界各国的重视。

储存技术是氢能利用的关键。

储氢材料是当今研究的重点课题之一,也是氢的储存和输送过程中的重要载体那么什么是储氢合金呢？储氢合金——一种新型合金，一定条件下能吸收氢气，一定条件能放出氢气。

虽然可将氢气存贮于钢瓶中，但这种方法有一定危险，而且贮氢量小(15MPa ，氢气重量尚不到钢瓶重量的1／100)，使用也不方便。

液态氢比气态氢的密度高许多倍，固然少占容器空间，但是氢气的液化温度是-253℃，为了使氢保持液态，还必须有极好的绝热保护，绝热层的体积和重量往往与贮箱相当。

大型运载火箭使用液氢作为燃料，液氧作为氧化剂，其存贮装置占去整个火箭一半以上的空间。

自20世纪60年代中期发现LaNi5和FeTi 等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。

储氢合金能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。

金属氢化物不仅具有储氢特性，而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能，从而能利用反应过程中的焓变开发热能的化学储存与输送，有效利月各种废热形式的低质热源。

储氢合金的分类与基本性能储氢合金按组成元素的主要种类分为: 稀土系、钛系、锆系、镁系四大类，按主要组成元素的原子比分为:AB5 型、AB2 型、AB 型、A2B 型, 另外也可按晶态与非晶态, 粉末与薄膜进行分类。

储氢合金基本特征：二元储氢合金(或金属间化合物) 基本上是在1970 年前后相继被发现的. 这些二元储氢合金可分为AB5 型(稀土系合金,如形成LaNi5H6 )、AB2 型(Laves 相合金,如形成ZrV2H4.8 ) 、AB 型(钛系合金,如形成TiFeH1.9) 和A2B 型(镁基合金,如形成Mg2NiH4) .其中A 为氢化物稳定性元素(发热型金属) ,B 为氢化物不稳定性元素(吸热型金属) ,A 原子半径大于B 原子半径. 氢在金属和合金中比液态氢的密度高,氢能够在相对温和的条件下可逆吸放,并且伴随热的释放与吸收. 实验检测和模拟计算证明,氢主要以原子形式存在,部分带有负电荷。

1稀土系储氢合金稀土系储氢合金以LaNi5 为代表, 可用通式AB5 表示, 具有CaCu5 型六方结构。

性能：较高的吸氢能力(储氢量高达1.37 重量% ) ,较易活化,对杂质不敏感以及吸脱氢不需高温高压(当释放温度高于40℃时放氢就很迅速) 等优良特性。

应用领域：是热泵、电池、空调器等应用中的理想候选材料,有很大的应用潜力。

影响元素、改进性能的研究方法：合金吸氢后晶胞体积膨胀较大, 易粉化, 比表面随之增大, 从而增大合金氧化的机会, 使合金过早失去吸放氢能力。

这就使氢镍电池中储氢容量衰减快, 而且价格昂贵。

由于纯稀土金属价格昂贵不能满足工业生产的大量需求, 为了降低成本, 人们利用混合稀土(Mm: La、Ce、Nd、Pr)、Ca、Ti 等置换LaNi5 中的部分La, 以Co、A l、M n、Fe、Cr、Cu、Si、Sn 等置换Ni 以改善性能, 开发出多元混合稀土储氢合金。

混合稀土储氢合金材料有富铈的和富镧的, 其优点是资源丰富, 成本较低。

背景介绍FETI合金FETI合金是一种用于储氢的先进材料，可以实现高效的氢气储存和释放。

储氢技术储氢技术是指将氢气以高密度和低压形式安全地储存起来，以便在需要时供应给氢能源设备使用。

目前的储氢技术主要包括物理吸附、化学吸附和化学反应储氢。

FETI合金储氢的原理吸氢/脱氢反应FETI合金能够通过吸氢/脱氢反应与氢气发生物理互作用，实现氢气的储存和释放。

当FETI合金与氢气接触时，氢气分子会被吸附在合金表面，并在晶格间进一步嵌入，形成氢化物。

通过控制温度和压力，可以实现FETI合金与氢气的吸附平衡。

吸附热和吸附容量FETI合金的储氢性能主要由吸附热和吸附容量决定。

吸附热是指吸附过程中释放或吸收的热量，它反映了FETI合金与氢气之间的吸附效果。

吸附容量是指单位质量FETI合金能够吸附的氢气的量，它决定了FETI合金的储氢能力。

FETI合金储氢的优势1.高储氢密度：FETI合金具有较高的吸附容量，能够实现高密度的氢气储存。

2.快速充放氢速度：FETI合金具有较快的吸附/脱附速度，可实现快速的氢气充放。

3.高循环稳定性：FETI合金在多次充放氢循环后仍保持较好的储氢性能，具有高循环稳定性。

4.低工作温度：FETI合金在较低的温度下仍能实现高效的储氢。

FETI合金储氢应用领域汽车工业FETI合金储氢技术可以应用于汽车工业，使得氢燃料汽车具备高密度、快速充放氢和可靠性等优势。

储氢系统的引入可以提高氢燃料汽车的续航里程，并减少充氢时间，提升用户体验。

能源储备FETI合金储氢技术可以应用于能源储备领域，将氢气以高密度储存起来，以便在能源需求高峰时供应给燃气发电厂等能源设备使用。

这种方式可以提高能源的可调度性和灵活性。

储氢管道系统FETI合金储氢技术还可以应用于储氢管道系统，用于将氢气从生产地输送到使用地，提供高效、安全的氢气输送方式。

储氢管道系统的建设可以促进氢能源的应用发展，推动清洁能源转型。

FETI合金储氢的挑战与展望材料成本FETI合金作为一种先进材料，其成本相对较高，限制了其大规模应用。

储氢材料(hydrogen storage material)一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。

20世纪70年代以后，由于对氢能源的研究和开发日趋重要，首先要解决氢气的安全贮存和运输问题，储氢材料范围日益扩展至过渡金属的合金。

如镧镍金属间化合物就具有可逆吸收和释放氢气的性质：化石能源的有限性与人类需求的无限性-石油,煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭!化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难-温室效应,酸雨等严重威胁地球动植物的生存!人类的出路何在-新能源研究势在必行!氢能开发,大势所趋。

氢是自然界中最普遍的元素,资源无穷无尽-不存在枯竭问题。

氢的热值高,燃烧产物是水-零排放,无污染,可循环利用。

氢能的利用途径多-燃烧放热或电化学发电。

氢的储运方式多-气体,液体,固体或化合物。

廉价而又高效的制氢技术，安全高效的储氢技术-开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急。

不同储氢方式的比较气态储氢:能量密度低、不太安全。

液化储氢:能耗高、对储罐绝热性能要求高。

固态储氢的优势:体积储氢容量高、无需高压及隔热容器、安全性好,无爆炸危险、可得到高纯氢,提高氢的附加值。

储氢材料技术现状金属氢化物金属氢化物储氢优点：反应可逆、氢以原子形式储存,固态储氢,安全可靠，较高的储氢体积密度目前研制成功的有稀土镧镍系、钛铁系、镁系、钛/锆系、稀土镧镍系、储氢合金稀土镧镍系典型代表:LaNi5 特点:活化容易、平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小抗杂质气体中毒性能好、适合室温操作经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土,主要成分La,Ce,Pr,Nd)广泛用于镍/氢电池钛铁系典型代表:TiFe,价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理镁系典型代表:Mg2Ni 储氢容量高、资源丰富、价格低廉、放氢温度(250-300℃ )放氢动力学性能较差改进方法:机械合金化-加TiFe和CaCu5球磨,或复合钛/锆系具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成,间隙多,有利于氢原子的吸附TiMn1.5H2.5 Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于:氢汽车储氢,电池负极但是储氢合金技术在大规模的工业应用中也有一定的缺陷，由于氢本身会使材料变质，如氢损伤、氢腐蚀、氢脆等。

新型材料储氢合金的研究与发展状况摘要：储氢材料是伴随着氢能利用在最近三十多年才发展起来的新型功能材料。

它在氢能系统中作为氢的存储与输送的载体是一种重要的候选材料。

20世纪60年代，材料王国里出现了能储存氢的金属和合金，统称为储氢合金。

这些合金材料具有很强的捕捉氢的能力，它可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金中先分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。

而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来，而且伴随有明显的吸热效应。

采用储氢合金来储氢，不仅具有储氢量大、能耗低，工作压力低、使用方便的特点，而且可免去庞大的钢制容器，从而使存储和运输方便而且安全。

氢与储氢材料的组合,将是21世纪新能源—氢能的开发与利用的最佳搭档。

关键词：镁基储氢合金; 机械合金化; 储氢性能; 复合材料前言：纵观历史长河，从最早的化石能源——煤炭、石油、天然气，到后来的蒸汽能、电能，乃至近代的太阳能、风能、水能、潮汐能和热能、生物能、核能等均为人类文明发展做出了不可估量的贡献。

但是，一方面化石燃料的储量有限，据估计[1],现有的石油资源按现在的开采速度到2050年将告耗尽，人类将面临着“世界能源危机”；另一方面，化石燃料作为能源材料造成全球生态环境污染日益严重；温室效应使气候变暖；风、涝、干旱等灾害频频发生，严重影响了人类生存和工、农、林、牧、渔业的发展，而且有愈演愈烈的趋势。

因此，能源和环境问题引起了世界各国的关注，纷纷采取切实措施，保护环境，开发新能源。

氢能正是一种在常规能源危机的出现后，人们期待的一种新的二次能源，而储氢合金材料正是装载氢能的最佳材料。

主题：一、氢能简介氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。

作为能源，氢有以下特点:(1)所有元素中，氢重量最轻。

储氢合金的研究1 储氢材料的研究背景能源是人类社会生存和发展的重要物质基础，是现代文明的三大支柱之一。

目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主，但进入二十世纪以来，一方面煤、石油、天然气等化石能源的日益枯竭使人类面临着能源危机的威胁，另一方面，化石能源所带来的环境污染给人类社会带来了诸如全球变暖、淡水资源减少、生物多样性减少、环境公害等诸多灾难，形成了一系列的恶性循环，严重制约了人类的发展，并且有愈演愈烈的趋势。

因此发展可再生的无污染的新能源迫在眉睫。

我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。

2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力涡轮机，成为世界最大的风能生产国。

尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%。

为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。

新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。

新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。

发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。

新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：储氢合金为代表的储氢材料，锂离子电池为代表的二次电池材料，质子交换膜电池为代表的燃料电池材料，硅半导体为代表的太阳能电池材料和以铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。

而其中氢能由于其高效性和清洁性有望成为未来的理想能源，并成为各种能量形式之间转化的最优良载体。

其优点主要有：（1）氢是自然界中最普遍的元素，资源资源丰富，无穷无尽－不存在枯竭问题；（2）氢的可再生性可通过水的分解循环－永无止境；（3）氢的燃烧值高，高于所有化石燃料和生物质燃料，燃烧产物是水，可实现零排放，无污染，是最环保的能源；（4）氢的燃烧能以高效和可控的方式进行，且燃烧稳定性好，燃烧充分（5）氢气具有可储存性，这是与电、热最大的不同，且氢的储运方式较多，包括气体、液体、固体或化合物；（6）氢是安全能源氢的扩散能力很大，不具毒性及放射性氢能的使用主要包括氢气的制备，储存和能量转化，而氢气的储存是至关重要的一步。

储氢合金无机1002班汪沅201039110213化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭.化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难－温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存.氢是一种非常重要的二次能源。

它的资源丰富；发热值高，燃烧1kg氢可产生142120kJ的热量，比任何一种化学燃料的发热值都高；氢燃烧后生成水，不污染环境。

因此，氢能是未来能源最佳选择之一。

氢的利用主要包括氢的生产、储存和运输、应用三个方面。

而氢的储存是其中的关键。

氢气储存技术的滞后，限制了氢的大规模应用，特别是交通工具上的应用。

储氢合金是一种新型合金，一定条件下能吸收氢气，一定条件能放出氢气。

虽然可将氢气存贮于钢瓶中，但这种方法有一定危险，而且贮氢量小(15MPa，氢气重量尚不到钢瓶重量的1／100)，使用也不方便。

液态氢比气态氢的密度高许多倍，固然少占容器空间，但是氢气的液化温度是-253℃，为了使氢保持液态，还必须有极好的绝热保护，绝热层的体积和重量往往与贮箱相当。

储氢合金能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。

1 金属储氢原理许多金属(或合金)可固溶氢气形成含氢的固溶体(MHx)，固溶体的溶解度[H]M与其平衡氢压pH2的平方根成正比。

在一定温度和压力条件下，固溶相(MHx)与氢反应生成金属氢化物。

金属与氢的反应，是一个可逆过程。

正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热；改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。

换言之，是金属吸氢生成金属氢化物还是金属氢化物分解释放氢，受温度、压力与合金成分的控制。

2 储氢合金分类并不是所有与氢作用能生成金属氢化物的金属(或合金)都可以作为储氢材料。

实用的储氢材料应具备如下条件：(1)吸氢能力大，即单位质量或单位体积储氢量大。

(2)金属氢化物的生成热要适当，如果生成热太高，生成的金属氢化物过于稳定，释氢时就需要较高温度；反之，如果用作热贮藏，则希望生成热高。

钛基储氢材料的储氢密度大约在1.8wt%至2wt%之间。

钛基储氢材料，特别是钛铁（TiFe）合金，因其良好的性能稳定性、自然界中含量丰富以及价格相对便宜等优势，被广泛应用于工业领域。

这种合金具有较大的吸氢能力，其含氢重量比约为1.8%，表现出快速的吸放氢特性，这对于氢能源的储存和运输至关重要。

然而，钛铁合金也存在一些不足之处，比如活化处理较为困难，需要加热到250℃以上并反复进行充氢和抽空操作。

此外，它的抗中毒能力较差，但这些问题可以通过添加Mn、Co等元素进行合金化来改善。

需要注意的是，在评估储氢材料的性能时，除了考虑储氢密度外，还需要考虑实际操作中的条件，如温度、压力以及吸放氢速率等因素。

这些因素都会影响到储氢材料的实际应用效果和效率。