[发明专利]一种体心立方结构为主的储氢高熵合金及其制备方法

说明书

本发明属于储氢材料领域，涉及一种BCC结构为主的储氢高熵合金及其制备方法。该高熵合金的成分表达式为：(Ti_aZr_bNb_c)_xM_y,5≤a≤35 at%，5≤5 at at%，5≤c≤35 at%,a+b+c=x，15≤x≤100 at%，M是Hf、Fe、Co、Cr、Mn、Ni、Mo及W中的任意一种或多种，每种M的原子百分比在0‑35%之间，且x+y=100。本发明合金的制备方法是采用非自耗真空电弧炉熔炼制备合金；采用真空吸铸，将合金吸铸到水冷铜模中，获得高熵合金棒。本发明的高熵合金具有高的储氢容量（3 mass%以上）及优异的吸放氢动力学性能；在大的吸放氢量的情况下，相比于纯元素而言，高熵合金无需完全提纯，在很大程度上能够节省成本。本发明具有高熵合金的特性，在新能源、交通运输领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于高熵合金及储氢材料领域，具体涉及一种BCC结构为主的储氢高熵合金材料。

背景技术

目前，人类主要依赖矿物燃料（例如石油、天然气以及煤炭等）等非可再生能源来满足现代生活对能源的需求。根据估计，到本世纪中叶，石油资源将会开采殆尽。面对传统能源紧缺的严峻挑战，很多国家都在积极开发如太阳能、风能和海洋能（包括潮汐能和波浪能）等可再生能源，同时，氢气、甲醇等燃料作为汽油、柴油的替代品，也受到了广泛关注。

氢能与风能、太阳能、海洋能等被认为是最有应用前景的绿色能源。在利用氢能的过程中，有两个关键问题：一是氢源问题；二是氢源储存问题。氢可以以气态、液态和固态 3种方式进行贮存。气态方式较为简单方便，也是目前贮存压力低于17MPa氢气的常用方法，但体积密度较小(标准状态条件下为0.089kg/m³ )，应用范围也因此受到限制。虽然研制能承受千兆帕级超高压的容器是解决问题的途径之一，然而这种方法在运输和使用过程中存在安全隐患。液态贮氢方式的体积密度高(70kg/m³ )，但氢气的液化需要冷却到 20K 的超低温下才能实现，仅此过程所需消耗的能量约占所贮存氢能的 25～45％。此外，液态氢的贮存不仅成本高，而且使用条件苛刻，目前只限于航天技术领域的应用。相比而言，具有储氢能力很强，单位体积储氢密度高，安全性能好等特点的固体贮氢方式，则能有效地克服气、液两种方式的不足。

研究证明，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物同时放出热量。其后将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。许多金属和合金在一定条件下可以与氢气反应形成金属氢化物，但作为储氢介质，需要满足一些特定的性质，包括具有高的有效的吸放氢量与合适的ΔH等热力学参数，PCT曲线的平台压力适中，吸放氢的平台斜率小以及滞后小，合金易于活化，具有较好的吸放氢动力学性能，具有良好的循环稳定性和抗气态杂质毒化性能，资源丰富，价格便宜等。

目前的储氢合金按组成元素的主要种类分为：稀土系、钛铁系、锆系、镁系、钒系五大类。稀土类合金的最大缺点是其容量太小，无法满足高容量的需求且吸放氢循环过程中晶胞体积膨胀大；钛锆系储氢合金实际就是一种能够吸氢的Laves相，具有储氢容量高，循环寿命长等优点，但也存在活化困难、价格贵等一些难以克服的缺点；钛铁系合金能可逆地大量吸放氢，而且二元素在自然界中含量丰富，但其活化较困难；镁系储氢合金拥有丰富的资源、储氢容量高，但这类合金的吸氢/放氢动力学性能差，钒系合金尽管具有较高的储氢容量，但其放氢压力低，难于活化，动力学性能差，所以还不能实用。

由于以上原因，现有的储氢材料难以满足目前的应用要求，阻碍了储氢材料的进一步发展。

发明内容