[发明专利]一种利用应力改善镁基氢化物释氢热力学的方法

说明书

技术领域

本发明属于氢储存技术领域，具体涉及一种储氢材料改性技术，特别是利用应力来改善镁基氢化物释氢热力学的方法。

背景技术

氢能作为一种洁净的能源载体，在未来可持续绿色能源战略中占有举足轻重的地位。提供安全、高效、经济的氢储存技术则是氢能规模化应用的关键。镁基固态储氢材料，因其质轻、价廉、资源丰富，且质量与体积储氢密度(7.6wt%与110kg·m^-3)均满足车用氢源系统的要求(5.5wt%与40kg·m^-3)，被公认为是极具发展潜力的车载储氢材料之一。然而，其实际应用却面临着吸/释氢热、动力学障碍，主要表现在：热力学方面，其氢化物释氢温度偏高(~300℃)；动力学方面，吸/释氢速率缓慢。作为车载储氢材料应用，最终目标是希望其在0.1MPa氢压下释氢温度低于80℃，且体系还需兼有快速的吸/释氢速率。 SHAPE  /* MERGEFORMAT 为达到该目标，国内外学者开展了大量的研究工作并取得了阶段性进展。如今，镁基储氢材料吸/释氢动力学缓慢的问题已基本解决，在纳米结构与催化剂的协同作用下，体系在几分钟内即可完成吸/释氢；然而，其释氢温度的大幅度降低仍面临严峻挑战。虽然研究者采用纳米结构调制、化学合金化、调整反应路径等方式在改善镁基储氢材料释氢热力学上已取得较大突破，但离实际应用尚存在一定距离。因此，寻求一种改善镁基氢化物释氢热力学的有效改性方式将有助于推进镁基储氢材料的实用化进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用可调制的应力来改善镁基氢化物释氢热力学的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

1. 材料结构为具有伸缩效应的磁致伸缩材料与镁基氢化物交替沉积的n[镁基氢化物/磁致伸缩材料]纳米多层薄膜结构；

2. 纳米多层薄膜采用磁控溅射法制备；

3. 在多层薄膜周围施加维数(一维/二维/三维)、强度、方向、各向同/异性可变的磁场，磁场由两块/四块/六块永磁体异性相对置于多层薄膜的两侧/四侧/六侧而形成；

4. 通过改变磁场的维数、强度、方向及各向同/异性，利用不同磁场作用下磁致伸缩材料的伸缩效应，实现对界面应力/应变状态(单轴/双轴/三轴、不同大小、拉/压及各向同/异性)的可控调制；

5. 在界面应力作用下，镁基氢化物层会发生不同程度晶格膨胀或收缩，导致其晶格畸变甚至相变，由于应变能的贡献，镁基氢化物Gibbs自由能升高，热力学稳定性下降而呈现为亚稳结构，从而实现降低释氢反应焓与释氢温度的目的，且其降低幅度可通过改变磁场属性来调控；

6. 本发明所使用的原材料容易获得、材料制备方法成熟，且其操作方便、过程可控，是一种有效改善镁基氢化物释氢热力学的方法。

附图说明

图1是n[MgH₂/TbFe₂]纳米多层薄膜示意图。

图2是n[MgH₂/TbFe₂]纳米多层薄膜周围磁场布置示意图。(a)一维磁场；(b)二维磁场；(c)三维磁场。

图3是应力改善MgH₂氢化物释氢热力学的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

本发明所采用的储氢材料结构是由磁致伸缩材料1和镁基氢化物2交替沉积的二维n[镁基氢化物/磁致伸缩材料]纳米多层薄膜结构(见图1)；镁基氢化物为质轻、价廉、质量与体积储氢密度高 (7.6wt%与110kg·m^-3)的MgH₂，厚度约为20~800nm；磁致伸缩材料为伸缩应变大、响应速度快、可靠性好的TbFe₂超磁致伸缩材料，厚度约为10~400nm；纳米多层薄膜采用磁控溅射法制备；在制备好的n[MgH₂/TbFe₂]纳米多层薄膜周围施加维数(一维/二维/三维)(见图2)、强度、方向、各向同/异性可变的磁场，磁场由两块/四块/六块永磁体3异性相对置于多层薄膜的两侧/四侧/六侧构成；通过改变磁场的维数、强度、方向及各向同/异性，利用不同磁场作用下TbFe₂磁致伸缩材料1的伸缩效应，实现对多层薄膜界面应力(σ)/应变(ε)状态(单轴/双轴/三轴、不同大小、拉/压及各向同/异性)的可控调制(见图3)；与TbFe₂磁致伸缩材料1接触的MgH₂氢化物层2在不同界面应力作用下，将发生不同程度的面/内外晶格膨胀或收缩，致使其晶格畸变甚至相变；由于应变能的贡献，MgH₂氢化物2的Gibbs自由能升高，热力学稳定性下降而呈现为亚稳结构，其释氢反应焓与释氢温度将会降低，且其降低幅度可通过改变磁场属性来调控。