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哈工大《JPS》:固溶处理和热挤压对镁合金储氢性能的比较研究!

 材料科学网 2022-09-25 发表于江西

编辑推荐:本文提出了一种镁基储氢合金通过固溶处理和热挤压进行组织调控,从而形成均匀的长周期结构和细化的组织。在氢化反应的过程中形成均匀的纳米颗粒,实现氢化反应能力的显著提升。这种组织调控方法能够为Mg-RE-TM合金在储能方向的设计和开发提供思路和理论依据。

镁合金是目前固态储氢最具竞争力的储氢材料。尽管镁合金具有较高的储氢能力,但是稳定的热力学、较差的反应动力学性能,以及MgH2相中H原子较差的扩散能力使得其应用和发展成为难题。

来自哈尔滨工业大学的陈瑞润教授团队最新研究表明,通过固溶处理提高14H-type LPSO结构的形成,显著降低氢化反应的表观活化能,有利于镁合金氢化反应动力学性能的提升,为镁合金储氢合金组织调控提供思路。相关论文以题为“Comparative study of solid-solution treatment and hot-extrusion on hydrogen storage performance for Mg96Y2Zn2 alloy: The nonnegligible role of elements distribution”发表在能源杂志Journal of Power Sources上。

论文链接:

/10.1016/j.jpowsour.2022.232037 

氢能的发展不仅可以实现“0碳”排放,助力我国“双碳目标”的达成,还能够解决能源危机,提高人民生活水平。因此氢能的发展成为国内外关注的重点。镁合金具有高理论储能能力(7.6 wt%),且价格低廉,是一种理想的储氢材料,但是氢化物过于稳定导致难以放氢,并且致密氢化产物导致氢难以扩散。在这项工作中,研究人员分别通过固溶处理热挤压两种方法对Mg-Y-Zn合金进行处理,获得具有良好吸放氢动力学的长周期结构 (LPSO)

通过对晶格常数进行分析,探究了镁合金中c/a对于储氢能力的影响,得出高c/a能够在氢化反应中产生更小的应力和晶格膨胀。通过对不同反应温度下的动力学曲线进行拟合发现固溶处理后的合金具有更低的表观活化能,从而表现出更好的吸放氢动力学性能。

1 XRD分析:(a) t-合金和e-合金的图样,(b)晶格参数

研究发现固溶处理合金中纳米YH2颗粒能够显著提高氢化反应能力和储氢性能,作者通过透射电镜表征分析得到:固溶处理合金14H LPSO结构使得Y能够均匀分布在基体中,其在氢化反应中的分解能够形成纳米YH2颗粒从而实现储氢性能的提升。

2动力学分析(a)等温氢化,(b)等温脱氢(c-f) JMAK拟合图,(g-h) Arrhenius

3 脱氢粒子的TEM结果:(a)显微图(b) HRTEM(c) SAEDt合金(b)区域;(e) e合金(b)区域的显微图(f) HRTEM(g) SAED

总的来说,这项研究成果有望推动镁合金在储氢方面的应用,为长周期结构对氢化反应的催化作用进行了详细的阐释,为储氢镁合金组织的设计提供研究方向及思路。同时,尽管文章中主要是针对Mg-Y-Zn合金,这种组织调控的思路可以推广到Mg-RE-TM合金的设计。(文:张三)

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