基于同步辐射与正电子湮没技术的LaNi5-xMx合金储氢性能本征衰退机理研究

Hydrogen is an ideal energy carrier and a kind of promising clean energy. LaNi5-xMx alloys have a very wide application prospect in hydrogen storage and utilization process. However, the hydrogen storage properties of these alloys degrade significantly with hydrogen absorption-desorption cycling. This is very negative for relevant engineering applications. The intrinsic degradation mechanisms of hydrogen storage properties of these alloys are still not clear by far. In the research project, three kinds of synchrotron radiation techniques (SR-XRD, SR-XAFS, and SR-XPS), and positron annihilation technique will be mainly used to characterize the microstructural parameters of these alloys in the long-term hydrogen absorption-desorption cycling. These microstructural parameters include phase composition, lattice parameters, local atomic structure parameters, surface element valence, surface elemental compositions, and characters of internal structual defect. According to the experimental results, the microstructure evolution law will be analyzed and investigated thoroughly and systematically. This research project will reveal the intrinsic degradation mechanisms of hydrogen storage properties of LaNi5-xMx alloys, elucidate the action mechanisms of element doping to inhibition of the intrinsic degradation, construct corresponding theoretical relationship model, and offer anti-degradation measures. The research results of this project will provide theoretical basis for further development of long-life, low-cost, commercially viable hydrogen storage alloys. It is of great practical significance to raise the level of resource utilization and build a resource-saving and environment-friendly society in our country.

氢能是理想的能量载体和具有发展潜力的清洁能源。LaNi5-xMx合金在氢能储运和利用过程中具有广泛的应用前景。然而，随着吸放氢的进行，其储氢性能会发生显著退化，对相关工程应用十分不利。目前，人们对这些合金的储氢性能本征衰退机理仍不清楚。本项目拟重点利用SR-XRD、SR-XAFS和SR-XPS三种同步辐射技术以及正电子湮没技术对合金在长期吸放氢过程中的相组成，晶胞参数，原子局域结构参数，表面元素价态和成分，内部结构缺陷特征等微观结构演变规律进行深入系统地分析和研究，揭示LaNi5-xMx合金储氢性能本征衰退机理，明确元素掺杂对抑制合金储氢性能本征衰退的作用机制，建立相应的理论关系模型，给出抗衰退措施。研究结果将为进一步开发长寿命、低成本、具有商业价值的储氢合金提供理论依据。这对我国提高资源利用水平，建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义。

LaNi5-xMx（M=Ni、Al、Co、Sn、Mn）合金在氢能储运和利用过程中具有广泛的应用前景。然而，随着吸放氢的进行，其储氢性能会发生一定程度的衰退，对有关工程应用不利。本课题首先基于LabVIEW虚拟仪器技术建立了一套多通道储氢材料循环寿命测试装置，该测试装置具有优良的密封性，可以实现多样品循环吸放氢，可以24小时连续工作几个月而不发生故障，即使期间电网断电也不会丢失有关测试数据。然后利用感应熔炼制备了不同成分的LaNi5-xMx（M=Ni、Al、Co、Sn、Mn）合金，利用该多通道储氢材料循环寿命测试装置对不同成分的LaNi5-xMx合金进行上千次的吸放氢循环，然后取出不同循环条件，循环次数的样品，对其进行吸放氢PCT、动力学，XRD，SEM，EDS，XAFS，激光粒度分析等方面的表征，对结果进行分析后发现Al元素对Ni元素的替代，会降低储氢容量，降低吸放氢压力，但是可以提高吸放氢循环稳定性，Al含量的多少也会对这些性能有显著影响，在抗粉化方面，Al的加入并不是一种单调影响，而是随着Al含量的增加，先恶化后改善合金的抗粉化性能。Co元素对Ni元素的替代对吸放氢平台，储氢容量，循环性能都有所恶化，但是抗粉化性能显著改善。Sn元素的加入会降低储氢容量但是其循环储氢性能非常优异。LaNi4.75Sn0.25和LaNi4.5Al0.5经过1000次吸放氢之后，其储氢性能基本没有改变，一直保持的很好。另外，Mn的加入会显著降低合金的吸放氢平台压，能够显著降低平台滞后，但是恶化平台斜率和储氢容量。从XAFS和正电子湮灭分析表明，多次吸放氢之后材料存在大量缺陷，体系的无序度整体在显著提升，但是Sn元素表现出了良好的抑制缺陷和无序度增加的特殊效果。这些研究成果将为进一步开发长寿命、低成本、具有商业价值的LaNi5基储氢合金提供理论依据。这对我国提高资源利用水平，建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义。