镁基Mg2Ni型Mg2-xAlxNi1-yCoy储氢合金的合成及储氢性能研究

作     者：段如霞 

作者单位：内蒙古师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵凤岐;田晓

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Mg2Ni储氢合金 低温烧结 高能球磨 电化学性能 热力学性能 

摘      要：镁基MgNi储氢合金由于具有高理论储氢容量、资源丰富、成本低廉、相对密度小等优点被认为是最具发展潜力的轻质储氢材料之一。然而,该类合金因其组元金属元素的熔点相差较大,且组元镁元素易挥发,采用常规熔炼方法制备困难。此外,该类合金放氢温度高、反应动力学和热力学性能较差,因而阻碍了其实际应用。因此,本文在分析目前研究和开发MgNi储氢合金现状及存在问题的基础上,针对MgNi型储氢合金制备和性能改善进行研究,并得到了一些重要结论。首先,采用低温固相烧结法成功制备了MgNi储氢合金。通过分别研究烧结温度和烧结时间对合金结构和性能影响的基础上,优选出最佳的烧结条件:烧结温度为893K,烧结时间为14h。为改善合金的性能,对合金进行高能球磨,研究了球磨时间对合金结构和性能的影响。研究表明,随球磨时间的增加,合金最大放电容量增加而循环稳定性下降。此外,研究了测试温度对合金性能的影响。电化学研究表明,随测试温度的升高,合金的最大放电容量大幅度增加,而容量保持率却明显降低。热力学研究表明,随测试温度的升高,合金放氢氢压逐渐升高,放氢平台平坦且变宽阔,计算得到合金的氢化物分解焓为-109.08kJ/mol H,表明金属氢化物不易分解。其次,为改善MgNi合金的电化学性能,用Al元素部分替代Mg元素,研究了MgAlNi合金的结构和性能。研究表明,Al替代Mg后,合金中出现了新相MgAlNi。随x的增加,MgAlNi的含量增多。当x=0.5时,合金几乎由单一的MgAlNi相组成。此时,合金的最大放电容量达最佳(117.58 mAh/g),放氢氢压和放氢平台最高、最宽。同时,研究了球磨时间对MgAlNi合金结构和性能的研究。研究表明,随球磨时间的延长,合金衍射峰明显宽化,并有部分衍射峰消失。电化学分析表明,球磨时间为20h时合金放电容量达到最大(266.12mAh/g),但合金的循环稳定性则不理想。此外,研究了测试温度对MgAlNi合金性能的影响。电化学研究表明,随测试温度的升高,合金的最大放电容量大幅度增加,而容量保持率却明显降低。热力学研究表明,合金放氢平台压力逐渐升高,放氢平台平坦且宽阔;计算得到合金的氢化物分解焓(ΔHθ)为-36.67 kJ/mol H。与未替代合金相比,焓的绝对值明显减少,表明Al替代Mg能够有效降低合金的氢化物稳定性。最后,为了改善MgAlNi合金的循环稳定性,用Co元素部分替代Ni元素,研究了MgAlNiCo合金的结构和性能。研究表明,Co替代Ni后,合金中出现了新相MgCo。Co替代合金的放电容量明显减小,循环稳定性则变好。当y=0.2时,合金容量保持率达最佳且放氢氢压和放氢平台最高、最宽。同时,研究了球磨时间对MgAlNiCo合金结构和性能的影响。电化学分析表明,球磨时间为20h时合金最大放电容量达最佳(223.14 mAh/g),但合金的循环稳定性却不理想。此外,研究了测试温度对MgAlNiCo合金性能的影响。电化学研究表明,随测试温度的升高,合金的最大放电容量大幅度增加。热力学研究表明,计算得到Co替代合金氢化物分解焓(ΔHθ)为-39.45 kJ/mol H,与未替代合金相比,焓的绝对值有所增加,即Co替代Ni后合金的氢化物稳定性有所上升。