[发明专利]具有稳定的同晶型吸/放氢反应的ZrCo基高熵金属间化合物及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种具有稳定的同晶型吸/放氢反应的ZrCo基高熵金属间化合物及其制备方法和在氢同位素贮存、供给、回收中的应用。所述ZrCo基高熵金属间化合物的化学通式为Zr_1‑xNb_xCo_1‑2xCu_xNi_x，其中，0x≤0.3；所述ZrCo基高熵金属间化合物具有结构稳定的正交晶型B33相和立方晶型B2相；所述稳定的同晶型吸/放氢反应主要发生于正交晶型的B33相与正交晶型的ZrCoH₃相、立方晶型的B2相与立方晶型的ZrCo(H)相。所述制备方法包括：制备Zr_1‑xNb_xCo_1‑2xCu_xNi_x合金铸锭，室温吸氢活化破碎得到吸氢态粉末，然后在500℃下抽空脱氢，得到具有正交晶型B33主相以及立方晶型B2相的ZrCo基高熵金属间化合物。

技术领域

本发明涉及氢同位素贮存与供给技术领域，具体涉及一种具有稳定的同晶型吸/放氢反应的ZrCo基高熵金属间化合物及其制备和应用。

背景技术

近年来，为了减缓过度使用化石燃料造成的能源危机以及环境污染，人类正在迫切寻找一种清洁、无污染、可再生的能源。基于氘氚核聚变反应的聚变能，因其具有释放能量巨大、燃料资源丰富以及放射性低等优点，被认为是人类未来获取能源的主要方式之一。著名的聚变反应堆——国际热核实验堆(ITER)即是通过燃烧氘氚等离子体而实现聚变能释放的装置。在聚变堆的实际运作过程中，氘氚气体需要根据等离子体实际操作场景即时供给到燃料加注系统。作为聚变堆的燃料，氚是一种具有放射性的宝贵资源。因此，需要开发一种安全、高效的氘氚回收、储存与供给技术来保证聚变堆的顺利运行以及避免氚资源的放射性危害。

相比于高压气体储氢以及低温液态储氢，金属氢化物储氢提供了一种更经济、安全和高效的储氢方式。多项研究表明，ZrCo基贮氢合金凭借其优异的储氢性能，被研究人员认为是目前最具有应用前景的氢同位素贮存、供给与回收的候选材料。然而，ZrCo基合金在实际吸/放氢过程中会发生歧化反应(2ZrCo+H₂→ZrCo₂+ZrH₂、2ZrCoH₃→ZrCo₂+ZrH₂+2H₂)而导致有效储氢容量发生显著衰减，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。

研究发现将吸/放氢反应控制在正交晶型中间相ZrCoH_0.6与正交晶型饱和吸氢相ZrCoH₃之间，其循环稳定性能显著提高，歧化程度明显降低(一种氢同位素贮存合金及其制备方法，专利申请号：CN201910490079.3)，这说明构筑稳定的同晶型转变的吸/放氢过程有助于提升其抗歧化性能，从而提高其循环稳定容量。依据该规律，通过Nb、Cu共取代来降低正交晶型中间相的氢滞留含量，以此来提升其同晶型吸/放氢转变的容量，从而进一步提升其循环稳定容量(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，专利申请号：CN202011125056.1)。但是，这些所述的高循环稳定容量的ZrCo基合金均需要将其放氢反应的截止压力控制在一定范围以内，使其形成的正交晶型相均含有不同程度的氢滞留，才能得到同晶型结构的吸/放氢反应，以此获得高循环寿命，因此使用条件受到限制。这说明以上所制备的ZrCo基合金的同晶型吸/放氢反应的稳定性受制于实际使用条件，其稳定容量有待提高。

综上，现有ZrCo基贮氢合金要实现稳定吸/放氢循环仍存在以下技术问题：

1、现有ZrCo基合金中的立方晶型B2相不稳定，导致ZrCo合金在实际吸/放氢过程中会发生歧化反应，有效储氢容量会随循环次数增加发生显著衰减；