专利名称：一种有效吸氢量高的钛－钒基储氢合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种Ti-V基储氢合金。更确切地说所涉及的储氢合金具有有效吸氢量高，放氢平台压适中的特点，具有实用价值。该合金在燃料电池氢源、氢气的存储和运输等方面将会有广泛的应用前景。属于储氢合金领域。
背景技术：
储氢合金是本世纪70年代发展起来的一种新型绿色功能材料，在一定条件下具有吸、放氢性能，其特点是储贮氢量大、无污染、安全可靠、可重复使用等。
储氢合金按各类合金中主要吸氢元素的不同可划分为稀土系、Ti系、Mg系和V系固溶体储氢合金。稀土系的典型代表是LaNi5，最大吸氢量仅1.4wt％；Ti系以Ti-Fe合金为代表，最大吸氢量为1.8wt％左右；Mg系的典型合金式Mg2Ni，最大吸氢量可达3.6wt％左右，但该合金要200℃以上才能吸放氢，而且合金动力学性能很差。
钒系固溶体合金中的Ti-V基储氢合金是最近发展起来的新一代储氢合金，这类合金以BCC相为主相，另外还包含部分的C14 Laves相或TiNi相等。该类合金由于其较大的吸氢容量正受到各国研究者的重视。Cho及其同事们开发出来的Ti0.16Zr0.05Cr0.22V0.57合金最大吸氢量达到3.55wt％[S.W.Cho，C.S.Han，C.N.Park，E.Akiba.J.Alloys Comp.，1999(289)244-250]，Seo等报道的V0.68Ti0.20Fe0.12合金最大吸氢量达到3.6wt％[Chan-Yeol Seo，Jin-Ho Kim，Paul S.Lee，Jai-YoungLee.J.Alloys Comp.，2003(348)252-257]，余学斌等开发出来的Ti0.4V0.4Cr0.1Mn0.1合金最大吸氢量更是高达4.2wt％[余学斌，吴铸.高等化学学报，2002(25)351-353]。然而储氢瓶用储氢合金的放氢过程一般在常压附近，在所定义合金PCT(压力-成分-温度)放氢曲线上高于1atm的部分为有效吸氢量的情况下，上述报道的合金其有效吸氢量分别只有0.17wt％、0.35wt％和0.2wt％。存储在该类合金中的氢在水浴情况下很大一部分放不出来，而且其中大多数合金的放氢平台压较低，这些问题严重制约了该类合金的实际应用。
发明目的本发明的目的在于提供一种有效吸氢量高的钛-钒基储氢合金，开发一类放氢平台压适中、有效吸氢量较大的储氢合金，以克服Ti-V基储氢合金现有技术的不足。
本发明所述的储氢合金的通式组成为TiaVbCrcMndMe100-a-b-c-d，式中0＜a≤15，20≤b≤35，15≤c≤30，40≤d≤55，85≤a+b+c+d≤100；a，b，c，d均为原子百分含量。当a+b+c+d＜100时，合金组分中Me至少为Fe、V4Fe中的任意一种或者两者的组合，合金是以BCC相为主、包含C14 Laves相的两相共存结构；当a+b+c+d＝100时则合金形成单一的BCC相TiaVbCrcMnd合金中a、b、c、d的范围如上所述。
本发明所述合金可通过如下方法制备纯度均高于99.5％的单质元素或中间合金按比例称取50g，然后在磁悬浮高频感应炉中熔炼。为保证合金的均匀性及避免在空气中氧化，样品在氩气保护下反复熔炼3～4次。对于易挥发的成分例如Mn在配料时应适当过量。
本发明开发的合金有效吸氢量最高可达1.84wt％。合金放氢平台压处于1atm～5atm之间。由于较大的有效吸氢量、适中的平台压，合金具有实用价值，并将在燃料电池氢源、氢气的存储和运输等方面有广泛的应用前景。
图1为Ti5Mn45Cr20V30合金的X射线衍射谱(a)和扫描电镜显微结构分析图(b)。
图2为Ti5Mn45Cr20V30合金在75℃时的放氢曲线图。图中横坐标为氢的质量百分含量，用wt％表示，纵坐标为压力P(atm)。
图3为Ti7.5Mn45Cr17.5V20(V4Fe)Fe5合金的X射线衍射谱(a)和扫描电镜显微结构分析图(b)。
图4为Ti7.5Mn45Cr17.5V20(V4Fe)Fe5合金在75℃时的放氢曲线图。图中横坐标为氢的质量百分含量，用wt％表示，纵坐标为压力P(atm)。
图5为Ti10Mn45Cr15V25Fe5合金在75℃时的放氢曲线图。图中横坐标为氢的质量百分含量，用wt％表示，纵坐标为压力P(atm)。
图6为Ti12.5Mn40Cr17.5V20(V4Fe)2合金在75℃时的放氢曲线图。图中横坐标为氢的质量百分含量，用wt％表示，纵坐标为压力P(atm)。
具体实施例方式下面通过具体实施例进一步阐述本发明的实质性和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例实施例1设计合金组分为Ti5Mn45Cr20V30，实验所用原料的纯度均高于99.5％，配取50g样品在磁悬浮高频感应炉中熔炼。为保证合金的均匀性及避免在空气中氧化，样品在氩气保护下反复熔炼3～4次。图1分别为该合金的X射线衍射谱和扫描电镜显微结构分析图，可以看出该合金是单一的BCC相。取3g机械破碎至80目进行吸放氢测试，图2为该合金的放氢曲线，可以看到，在75℃时该合金的有效吸氢量为1.70wt％，放氢平台压为1.77atm。
实施例2设计合金组分为Ti7.5Mn45Cr17.5V20(V4Fe)Fe5，实验所用原料的纯度均高于99.5％，配取50g样品在磁悬浮高频感应炉中熔炼。为保证合金的均匀性及避免在空气中氧化，样品在氩气保护下反复熔炼3～4次。图3分别为该合金的X射线衍射谱和扫描电镜显微结构分析图，可以看出该合金是以BCC相为主、包含C14 Laves相的两相共存结构。取3g机械破碎至80目进行吸放氢测试，图4为该合金的放氢曲线，可以看到，在75℃时该合金的有效吸氢量为1.73wt％，放氢平台压为3.49atm。
实施例3设计合金组分为Ti10Mn45Cr15V25Fe5，实验所用原料的纯度均高于99.5％，配取50g样品在磁悬浮高频感应炉中熔炼。为保证合金的均匀性及避免在空气中氧化，样品在氩气保护下反复熔炼3～4次。图3分别为该合金的X射线衍射谱和扫描电镜显微结构分析图，可以看出该合金是以BCC相为主、包含C14 Laves相的两相共存结构。取3g机械破碎至80目进行吸放氢测试，图5为该合金的放氢曲线，可以看到，在75℃时，该合金的有效吸氢量为1.80wt％，放氢平台压为2.87atm。
实施例4设计合金组分为Ti12.5Mn40Cr17.5V20(V4Fe)2，实验所用原料的纯度均高于99.5％，配取50g样品在磁悬浮高频感应炉中熔炼。为保证合金的均匀性及避免在空气中氧化，样品在氩气保护下反复熔炼3～4次。X射线衍射谱和扫描电镜显微结构分析图显示该合金是以BCC相为主、包含C14 Laves相的两相共存结构。取3g机械破碎至80目进行吸放氢测试，图6为该合金的放氢曲线，可以看到，在75℃时合金的有效吸氢量为1.84wt％，放氢平台压为2.31atm。
权利要求
1.一种Ti-V基储氢合金，其特征在于所述的合金组成的通式为TiaVbCrcMndMe100-a-b-c-d，式中0＜a≤15，20≤b≤35，15≤c≤30，40≤d≤55，85≤a+b+c+d≤100；a，b，c，d均为原子百分含量；当85≤a+b+c+d＜100时合金组分中Me至少为Fe、V4Fe中的任意一种或者两者的组合。
2.根据权利要求1所述的Ti-V基储氢合金，其特征在于当a+b+c+d＝100时，合金形成单一的BCC结构。
3.根据权利要求1或2所述的Ti-V基储氢合金，其特征在于当a+b+c+d＜100时，合金形成以BCC相为主、包含C14 Laves相的两相共存结构。
4.根据权利要求1或2所述的Ti-V基储氢合金，其特征在于合金的组成为Ti5Mn45Cr20V30，合金为单一的BCC相结构；所述合金在75℃时的有效吸氢量为1.70wt％，放氢平台压为1.77atm。
5.根据权利要求1或3所述的Ti-V基储氢合金，其特征在于合金的组成为Ti7.5Mn45Cr17.5V20(V4Fe)Fe5；合金是以BCC相为主，包含C14 Laves相的两相共存结构；所述的合金在75℃时的有效吸氢量为1.73wt％，放氢平台压为3.49atm。
6.根据权利要求1或3所述的Ti-V基储氢合金，其特征在于合金的组成为Ti10Mn45Cr15V25Fe5；合金是以BCC相为主，它包含C14 Laves相的两相共存结构；所述的合金在75℃时的有效吸氢量为1.80wt％，放氢平台压为2.87atm。
7.根据权利要求1或3所述的Ti-V基储氢合金，其特征在于合金的组成为Ti12.5Mn40Cr17.5V20(V4Fe)2；合金是以BCC相为主，包含C14 Laves相的两相共存结构；所述的合金在75℃时的有效吸氢量为1.84wt％，放氢平台压为2.31atm。
全文摘要
本发明为吸氢量高的Ti－V基储氢合金。合金组成通式为Ti
文档编号C22C14/00GK1752247SQ20051003107
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者窦涛, 吴铸, 余学斌, 黄太仲, 冯尚龙, 毛建锋 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所