最新进展 | 氢储存效率增加，新能源革命来临？
01
背景简介
众所周知在世界能源危机的今天，寻找到一种可以替代石油的新型能源，已成为当务之急。
众多新型能源中，氢能源因其能效高和无污染的特性而一枝独秀。当前，制约氢能的实际应用主要有以下三个方面：氢产出，氢储存，氢应用。
本次分享的研究能源聚焦于氢存储这个关键问题之上。
氢气的存储主要有三种类型：气态钢瓶存储，液态钢瓶存储以及固态金属合金存储。
从下图我们可以看出，
气态储氢具有体积大，存储量低，易爆易炸的风险；
液态储氢由于需要维持氢气的液态形式需要耗费大量能量去恒温至-70摄氏度左右，并且也存在易爆炸风险；
固态储氢合金具有存储同等量氢气条件下体积最小，可以在接近常温，较低压力下工作。
故而固态储氢合金已成为目前储氢材料的研究热点。
文献1：Schlapbach, L. & Züttel, A. Nature 2001, 414, 353–358
加拿大魁北克大学三河校区氢能研究所Jacques Huot教授课题组在提高TiFe合金活化速度方面取得进展，实现了TiFe合金在室温低压条件下快速吸收氢气（此前文献报告TiFe 合金活化温度为400度左右，氢压为70bar左右），相关成果以Hydrogenation improvement of TiFe by adding ZrMn2于2017年7月发表于ENERGY杂志。
02
研究目的
本研究以TiFe合金为基本载体，通过掺杂不同比例的ZrMn2合金以及冷轧技术的应用，改变其晶体结构和粒子尺寸，进而改善TiFe合金的储氢性能。同时本研究也对掺杂后的合金的抗氧化能力进行了相关研究。
03
研究思路
04
研究过程
图1-不同掺杂比例样品的SEM图像，图中可见明显的两相结构-Dark phase 和 Bright phase。
通过imageJ软件测量发现，Bright phase 在二维尺度下的表面积随着掺杂量提高而提高，当掺杂12wt.%时，Bright phase 的表面积接近50%。
由于二维尺度和三维尺度具有一致性，这也间接暗示在三维尺度下，Bright phase的体积也接近50%。
图2-掺杂12wt.%的样品的SEM图像以及Mapping and Pointing 图像。
相关相成分显示非常明显的两相结构，Mapping图像表明：Fe and Ti 元素广泛地分布于两相，而Mn 大部分分布于bright phase, 小部分分布于dark phase,但是几乎90%以上的Zr全部集中于bright phase.
图3-不同掺杂比例的样品的活化速度，实验条件为室温，氢压为20 bar.活化曲线表明：氢气吸收速度与掺杂比例和Bright phase的表面积呈正比例增长，这表面Bright phase有助于增强活化速度，降低活化条件。
图4-12wt.%掺杂样品在氩气氛围和空气氛围条件下操作的活化曲线的对比研究。
图示发现在空气操作几乎不会对活化造成大的影响，这表明掺杂12%ZrMn2的样品具有较佳的抗氧化能力，这对储氢合金的实际应用具有较大的启示。
图5-显示不同Cold rolling(冷轧)次数对不同比例掺杂样品的活化速度的影响，实验条件为室温及20 bar氢压。
实验结果表明冷轧对4wt.%掺杂的样品的活化速度有较大的影响，冷轧5次能明显的提升吸氢速度，但是其最大吸氢量却有所下降。冷轧1次即可提高吸氢速度又可提高最大吸氢量。
05
研究结论
本文主要报告了不同比例掺杂的ZrMn2对TiFe合金的微观结构以及储氢性能的影响。相关实验样品采用arc melting技术制备。
实验结果表明，每一个合金都具有两个相，第一相为TiFe并且伴随少量的Zr和Mn; 第二相为具有较高含量的Zr和Mn，但其大部分元素组成依旧是Ti和Fe。
活化速度随着掺杂比例的提升而加快，这种现象的出现应该归于富Zr第二相的影响，因为它可以为氢原子进出提供通道。
压力-成分-温度曲线也表明，提高掺杂比例有助于降低吸氢平台压力，降低活化压力。
12wt.%掺杂样品的抗氧化性测试表明，在空气的影响下其依旧可以实现室温低压下快速吸收氢气，这说明其具有非常好的实际应用前景。
参考文献：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544217312483
点击左下角“阅读原文”即可查看完整原文链接：http://doi.org.ololo.sci-hub.cc/10.1016/j.energy.2017.07.072
作者简介：雨中，加拿大魁北克大学氢能研究所博士。目前主要从事固态储氢合金，复杂氢化物储氢材料的制备以及储氢性能改良。在国内外期刊发表SCI论文8篇，授权发明专利2项，实用新型专利1项。
来源 | 雨中 特约投稿发布
供稿 | 学术咖材料学版
编辑 | 小咖咖