[发明专利]具有正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种具有正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金，化学通式为Zr_1‑xNb_xCo_1‑yCu_yH_z，其中，0x≤0.5，0y≤0.5，0.2≤z≤3；所述正交晶型结构为B33相。该合金制备方法包括：制备Zr_1‑xNb_xCo_1‑yCu_y合金铸锭，吸氢活化破碎得到氢同位素贮存合金吸氢态粉末，然后装入密封反应器中，升温至380℃，对真空仓放氢至合金具有B33相且无B2相时冷却至室温即得。可利用该合金中正交晶型B33相与正交晶型饱和吸氢相ZrCoH₃之间的同晶型转变实现氢同位素的贮存、供给、回收。

技术领域

本发明涉及氢同位素贮存与供给技术领域，具体涉及一种具有正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金及其制备和应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人类对能源的需求量日益增长，而传统化石能源的过度开发和使用造成了严重的环境污染，因此发展清洁无污染、高效的可再生能源已成为现今迫在眉睫的任务。

基于氘氚核聚变反应的聚变能具有释放能量大、清洁、高效的特点而被认为是人类未来获取能源的主要方式之一。由世界各国共同合作搭建的国际热核实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER)就是通过燃烧氘氚等离子体而实现聚变能释放的。

作为聚变堆的燃料，氚具有放射性、稀缺性，且在使用过程中需要即时地供应到系统中，因此需要开发出一种高效、安全的氢同位素贮存与供给材料。

氢同位素贮存有多种方式，但从安全性和高效性考虑，固态储氢技术是最符合ITER应用背景的。固态储氢是利用储氢材料吸收大量的氢同位素而形成常温下稳定的氢化物，并在一定温度下可重新释放氢同位素，有效控制放射性氚的可逆吸放，从而实现氚的循环利用。

ZrCo基合金由于具有坪台压力低(～10^-3Pa)、吸放氢速率快、无放射性以及不自燃等优点，被列为氢同位素贮存、供给与回收的重要备选材料。

然而在ZrCo基合金实际吸放氢过程中往往会伴随着歧化反应(ZrCo+H₂→ZrCo₂+ZrH₂、ZrCoH₃→ZrCo₂+ZrH₂+H₂)，逐渐生成实验条件下难以分解的ZrH₂相和不吸氢的ZrCo₂相，从而造成ZrCo基合金循环容量的显著降低，影响ZrCo基合金的循环使用寿命，难以实现氢同位素贮存、供给与回收的重要功能。

研究发现在正交晶型中间相ZrCoH_0.6与饱和吸氢相ZrCoH₃之间的同晶型吸放氢反应中，歧化程度明显降低(一种氢同位素贮存合金及其制备方法，专利号：201910490079.3)。因此，研究人员通过控制放氢截止背压来控制放氢步骤，显著提高了其循环稳定性能，30次循环后最高放氢容量为1.26wt％。但由于中间相ZrCoH_0.6的热力学稳定性不高，在循环过程中会发生缓慢的晶体结构转变，产生异晶型吸放氢过程，从而导致歧化缓慢发生，造成容量的持续衰减。

因此，开发在温和操作环境下具有稳定正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金在氢同位素领域的应用具有重大的意义。

发明内容

针对现有技术中的ZrCo基氢同位素贮存合金普遍存在循环容量衰减严重的缺点，本发明提供了一种具有正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金。