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新型高容量超晶格稀土系储氢合金的研究
2021-04-16
稀土系储氢合金是发展氢能技术的重要材料，而发展高效、零排放的氢能技术是21世纪包括中国在内的全球重大战略需求。
1969年，荷兰飞利浦实验室发现的第一代AB5型LaNi5稀土储氢合金的理论电化学储氢容量只有372 mA•h/g，经过50多年的应用研究，目前实际应用的容量可达到350 mA•h/g ，进一步提高的空间非常有限，因此需要开发更高储氢容量的合金。1997年，日本大阪国家研究所开发出具有超晶格结构的第二代AB3型高容量La-Mg-Ni稀土储氢合金，理论电化学储氢容量达到或超过400 mA•h/g，实际应用的容量超过LaNi5型合金的理论容量，但由于含有高蒸气压Mg元素，制备过程成分难以控制且挥发的微细Mg粉易燃爆。
包头稀土研究院储氢材料研发团队一直跟踪研究La-Mg-Ni系储氢材料的组成和结构特性，试图克服其难以制备的问题。La-Mg-Ni系储氢合金的高容量在于超晶格结构，而Mg元素抑制了超晶格结构的氢致非晶化，形成稳定的高容量储氢合金，因此需要探索能够替代Mg且蒸气压较高的新元素。2013—2016年，该团队承担完成了国家国际科技合作专项项目“稀土系Y2FeSb2储氢合金的制备及性能的合作研究”，深入研究了稀土钇（Y）元素在储氢合金中的作用，经过反复分析和多次试验，发现采用Y元素替代La-Mg-Ni合金中的Mg元素，同样可以抑制超晶格结构的氢致非晶化，进一步通过组成多元化、调整化学计量比、La/Y比、A-B侧元素等途径，达到了超晶格合金的高储氢量，于2014年开发出新一代La-Y-Ni系稀土储氢合金。理论研究和实验结果表明，La-Y-Ni储氢合金的理论放电容量与La-Mg-Ni合金相当，具有良好的循环寿命，可直接用高温熔炼法制备。该系列合金打破了国外在稀土储氢合金材料领域的技术垄断，2017年International Journal of Hydrogen Energy期刊连续刊发3篇研究论文，报道了该项目成果。
2017—2019年，该团队承担完成了包头市中科发展科技有限责任公司重大项目“新型La-Y-Ni储氢合金的产业化技术开发”，项目技术内容于2020年8月顺利通过中国稀土行业协会组织的第三方评价。
