金属储氢材料与材料设计研究进展

金属储氢材料与材料设计研究进展金属储氢材料与材料设计研究进展 金属储氢材料与材料设计研究进展黄维军 材料科学与工程学院 x x0108摘摘要基于储氢材料在氢能利用中的重要作用 通过从材料结 构角度 对当前晶态储氢合金 非晶储氢合金 纳米储氢合金三大 类金属储氢材料的研究现状和存在问题进行总结和分析 探讨了合 金相图和现代材料设计方法在金属储氢材料研究中的作用和地位 当前研究工作表明 非平衡态结构调控是获得高性能储氢合金的有 效途径 基于原子尺度的材料计算与设计 对新型金属储氢合金的 研究和储氢机理探讨具有重要作用 关键词储氢合金 非晶态 合金相图 材料设计 第一性原理金属 储氢材料与材料设计研究进展Recent progresson metal hydrides and the applicationof modelmaterial designxx 6 152Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterial designHuang Wei jun School OfMaterials ScienceAnd Engineering xx0108Abstract Hydrogen storage materialspaly importantroles inthe applicationof hydrogenenergy In Viewof micro structure recent development of threetype metal based materials crystalline amorphous alloy nano sized alloy was discussedextensively inthe paper as wellas relatedstudy ofphase diagramand material design methodsbased onfirst principle calculations many reportssupported thatmetal based alloyswith amorphous nano structureshow differenthydrogen storage properties fromthat withcrystal structure material designand calculationin atom size willbenefit thedevelopmentofnew metal based alloysandtheunderstanding of the mechanismof hydrogen storage inalloys Key words hydrogen storagealloy amorphous structure phase diagram material design first principle calculations引言氢是高能清洁燃料 又是理想的二次能源载体 1 随着社会发展 人口增长 人类对能源的需求将越来越大 以煤 石油 天然气等为代表的化石能源是当前的主要能源 但化 石能源属不可再生资源 储量有限 而且化石能源的大量使用 还 造成了越来越严重的环境污染问题 因此 可持续发展的压力迫使人类去寻找更为清洁的新型能源 氢能作为一种高能量密度 清洁的绿色新能源 氢能的如何有效利 用便引起了人们的广泛研究 然而 目前看来 由于缺少有效的储氢技术 阻碍了氢能的广泛应 用 传统的液态 高压气态储氢既不经济也不安全 而金属基储氢合金 金属氢化物 的出现为氢的存储开辟了一条新的途径 金属基储氢合金具有储氢体积密度大 安全 储运方便等特点 成 为当前金属基功能材料研究开发的热点之一 金属储氢材料按材料结构可分为晶态储氢合金 非晶态合金 纳米 储氢合金 储氢合金非晶化 纳米化后储氢性能发生显著改变 出现新性能和 新现象 2 这些为新型高性能储氢材料的研究提供了新思路 本文基于储氢材料结构特征 结合相图和现代材料设计的应用 对 当前金属储氢材料的研究现状及进展进行了总结和分析 并对研究 中存在的关键问题和热点问题进行了讨论 金属储氢材料与材料设计研究进展Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterial designxx 6 1541金属储氢材料1 1储氢合金储氢合金按氢的结合方 式可分为两大类一类是合金氢化物材料 另一类是金属配位氢化物 材料 迄今为止 趋于成熟和具备使用价值的储氢合金主要有稀土系 镁 系 钛锆系及钒系等几大系列 3 其开发已有很长的历史 为满足 各种性能的要求 人们已经在二元合金的基础上 开发出三元 四 元乃至多元合金 其研究进展已有不少报道 总体而言 室温下容 易放氢的储氢合金 可逆质量氢密度不超过2 主要应用于镍氢电 池 难以满足燃料电池电动车及其它新的应用 储氢合金的非晶化 纳米化成为将来研究的重点 金属配位氢化物是现有储氢材料中体积和质量储氢量最高的金属储 氢材料 金属配位氢化物的缺点主要有 1 配位氢化物主要采用机械球磨和有机液相反应合成 合金产物的 纯度很难保证 最高只能达到90 95 2 放氢动力学和可逆吸放氢性能差 3 配位氢化物多步吸放氢使实际储氢量和理论储氢量有较大差异 解决这些问题的办法一般是加入合适的催化剂 Bogdanovic研究表明 4 配位氢化物NaAlH4添加纳米级的Ti后放氢 时间大大缩短 25次吸放氢循环后储氢量仍旧保持在4 5 1 2非晶储氢合金非晶合金拥有大量的长程无序和短程有序结构 为 氢的扩散提供了大量能垒较低的夺穴 有利于吸放氢的进行 因此 相对于晶态合金 非晶态合金的活化性能较好 且放氢温度较低 特别作为二次电池的负极材料 非晶态Mg基合金显示出良好的应用 前景 目前研究较多的非晶合金以其形态可分为非晶薄带和非晶薄膜两大 类 1 2 1非晶薄带制备与研究进展液体急冷法是目前非晶薄带制备的最 主要方法 其基本原理是先将合金加热熔融成液态 高速冷却使液 态金属的无序结构保存下来形成非晶 液体急冷法的冷却速率105 106K s 限制了用该方法制备非晶合金的厚度 目前研究最为广泛的是快速冷凝技术制备出的镁基非晶储氢合金 非晶结构的Mg Mts Mg Ni Mts Mg Mts RE系列合金良好的综合储氢性能 5 Huang等 6 在研究甩带快冷制备的 Mg60Ni25 l00 x Ndx x 2 5 10 15 系列合金中发现 随着Nd含量增加 合金的非晶 形成能力 GFA 增加 储氢容量也明显增加 Mg60Ni25 90Nd10非晶 最大储氢量4 2wt 用作Ni MH电池负极材料最大放电容量达580mAh g Palade等 7 比较快冷制备的Mg88Ni l1Fe l非晶与用MgH 2 Ni Fe球磨的 MgH2 88Ni llFe l样品 发现非晶态Mg88Ni llFe l动力学性能更好 研究表明快冷工艺制备的非晶结构的Mg Mts Mg Ni Mts Mg Ni RE系合金与机械球磨制备的纳米非晶相比 显示出同样较高的储氢 容量 良好的吸氢动力学和PCT特性 其电化学稳定性 热力学稳定 性均优于球磨制备的纳米非晶 Mg基非晶有望成为一种具有良好应用前景的新型高容量储氢合金 1 2 2非晶薄膜制备与研究进展非晶薄膜的制备方法有 1 由气相直接凝聚真空约10 8Pa蒸发 离子溅射 化学气相沉积 CVD 等 2 通过辐射 离子注入 冲击波等方法由晶体制备 蒸发和溅射冷却速度超过108K s 可制备许多液态急冷法无法实现 的非晶 但非晶生长速率低 只能用来制备薄膜 目前 巳报道制备的非晶薄膜主要有Mg Pd Mg Ni Mg LaNi5等 Krozer等人蒸镀Mg Pd复合膜 使镁的吸放氢性能极大地提高 K Higuchi等 8 发现溅 射得到的Mg Pd复合储氢膜在370K 0 1MPa条件下氢化24h可吸收2 9 6 6 的氢 同样的氢压下 465K就可完全脱附 华南理工大学王辉等合成出Mg MmNi x Mg Ni MmNi5多层复合膜 其吸放氢性能明显改善 9 10 高能的注入粒子与被注入的材料的原子核发生碰撞时 发生能量损 失 因此 离子注入有一定的射程 只能得到薄层非晶 ALeon等人研究了用V轰击镁薄膜后的吸氢性能 在263K 1MPa的条 件下 270min吸氢量6 第二循环达到相同质量的吸氢量的时间缩 短为45min 明昆改善镁吸氢动力学 相对块状储氢合金 储氢合金薄膜化后具有以下优点 1 吸放氢速度快 2 抗粉化能力强 3 热传导率高 4 易于对薄膜进行表面处理 但目前制备的镁薄膜一般需要价格较高的Pd作为催化组元来改善Mg 的吸氢性能 成本太高 吸氢性能仍不够理想 因此 镁系储氢薄膜的发展方向是寻找价格低廉的金属元素替代价 格较高的Pd V 采用与其它储氢合金复合等方法 获取动力学性能 优良的高性能合金材料 1 3纳米储氢合金纳米材料由于具有量子尺寸效应 小尺寸效应及表 面效应 储氢合金纳米化后同样出现了许多新的热力学 动力学特性 如活 化性能明显提高 具有更高的氢扩散系数和优良的吸放氢动力学性 能 目前制备储氢合金纳米颗粒的主要方法金属储氢材料与材料设计研 究进展Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterial designxx 6 156有机械粉碎 合金化法 快速凝固法 气态凝聚法 化学合成法 脉冲电化学沉积法 团簇束沉积法 1 3 1机械粉碎 合金化法制备纳米储氢合金机械粉碎 合金化法是制 备储氢合金纳米颗粒最常用的方法 其原理是在保护性气体或保护 性液体中 将微米级合金粉或组成合金的元素粉末 放入高能球磨 机中长时间运转 使合金粉末粉碎成纳米颗粒或合成出纳米颗粒 这种方法具有设备简单 操作方便 效率高 应用广泛等优点 但 也存在能耗高 材料成分与结构控制较难 颗粒的畸变等缺陷多等 特点 由于镁的蒸气压高 镁基合 金不合成适宜采用熔炼法 而机械粉 碎 合金化法则是其理想的合成方法 Orimo等 11 机械球磨Mg粉与不同质量的Ni粉制备出纳米结构Mg x Ni x 33 38 43 50 at 系列合金并对其进行储氢性能测试 发现 随着Ni含量的增咖 放氢温度由167 下降到100 Tanaka等 12 总结了纳米储氢合金优异动力学性能的原因 1 大量的纳米晶界使得氢原子容易扩散 2 纳米晶具有极高的比表面 使氢原子容易渗透到储氢材料内部 3 纳米储氢材料避免了氢原子透过氢化物层进行长距离扩散 而氢 原子在氢化物中的扩散是控制动力学性能最主要的因素 由于某些过渡金属元素的氧化物 V2O 5 TiO 2 MnO2等 具有对氢的吸附和离解氢原子作用 因此在纳米储氢材 料表面添加纳米尺寸的催化组元 可改善其动力学性能 Oelerich等 13 将MgH2与原子分数5 的TiO 2 Cr2O 3 MnO 2 Fe3O4等球磨后 相组成没有改变 但在573K和0 84MPa条件下纳 米复合相吸放氢性能比单纯的纳米MgH2由明显改善 Liu等 14 制备了Mg 3Ni 2MnO2纳米复合材料最大储氢量达6 5 0 1MPa 200 条件下50s吸 氢量6 37 285 310 温度下310s能放出全部氢 60次循环 容量 衰退不到0 1 金属配位氢化物复合材料主要是掺杂入合适的催化剂 降低金属配 位氢化物的放氢温度 提高其可逆吸放氢量 Resan等 15 系统研究了球磨掺杂TiH 2 TiCl 4 TiCl 3 AlCl 3 FeCl 3 Fe Ni V对Li AlH4的储氢性能影响 发现TiCl 4 TiCl3能明显降低第二步放氢温度 Zheng等 16 研究了球磨掺杂LaCl 3 Ti对NaAlH 4 LiAlH4的吸放氢特性的影响 发现加入摩尔分数3 LaCl3能较好 的提高NaAlH 4 LiAlH4的放氢量和放氢动力学 其放氢活化能41 6kJ mol 1 3 2快速凝固法制备纳米储氢合金随着非晶制备技术的发展 利用 快凝技术制备非晶薄带材料在适当的热处理条件下得到尺寸在几十 个纳米的颗粒均匀的复合结构或完全晶化的纳米晶体材料 这一方 法被称为玻璃晶化法 利用玻璃晶化法制备出了Mg MTs Mg MTS RE系列纳米材料 其储氢性能 特别是吸放氢动力学特性改性明显 Tanaka等 17 19 采用玻璃晶化法在573K等温晶化Mg Ni RE RE La Nd 非晶制备得到50 100nm的系列Mg Mg2Ni多相纳米晶 合金的活化性能 吸氢热力学性能改善明显 Hong等 19 比较了用球磨法制备的 Mg 23 5Ni 5Nb2O5 和玻璃晶化法制备的 Mg 23 5Ni 10Nb2O5 纳米复合材料储氢性能 发现玻璃晶化法制备的 Mg 23 5Ni 10Nb2O5纳米复合材料吸放氢速度较快 573K 12bar条件下10min吸 氢4 7 573K 1bar条件下25min放氢4 75 其原因主要因为玻璃 晶化法制备的纳米材料均匀性好 且纳米颗粒的Nb2O5有利于晶粒细 化 玻璃晶化法工艺简单 成本低廉 晶粒度容易控制 制备的纳米晶 体材料中不含微窄隙 是制备纳米储氢材料 纳米复合储氢材料的 重要手段 除机械粉碎 合金化法 快速凝固法为广大储氢合金研究工作者所重 视 其它制备方法多出现于纳米制备领域 对制备出的纳米储氢合 金的储氢性能研究非常少 纳米技术应用于储氢材料中 储氢材料的储氢性能很大的提高 但 纳米材料的实用化还依赖于制备技术的发展与完善 以及人们对其 结构性能的进一步深入认识和理解 纳米材料的微观结构和谱学特征以及他们与性能之间的关系 要求 建立表征纳米材料的结构参数与物理参数 同时 纳米材料动力学行为 要求在纳米尺度和相应的时间尺度上 考察原子水平的集体动力学行为 这两方面都必须借助计算材料物理 以分子动力学模拟 MC 和蒙特 卡洛模拟 MD 等为理论手段 根据粒子间的作用势 计算多粒子系 结构 多种物系结构和多种性质 从而指导纳米材料设计与性能预 测 金属储氢材料与材料设计研究进展Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterial designxx 6 1582现代材料设计在金属储氢材料研究的应用在现代合 金设计中 合金相图特别是多元合金 计算相图起着极其重要的作 用 相图是进行材料设计与处理的依据 是微观组织结构设计的理论指 导 储氢合金的研究同样也离不开相图的指导 相图在储氢合金发展中应用广泛 利用相图可以选择合适的合金成 分 设计合理的制备工艺 预测其储氢性能等 然而 随着金属储氢材料的研究从晶态向非晶 纳米晶领域的拓展 传统的平衡相图已经无法满足新兴金属储氢材料设计需求 以固体物理 量子化学 统计力学为理论基础 高速发展的现代计 算机技术为技术支撑 现代材料设计不断完善 并广泛应用于金属 储氢材料研究 本部分对相图与第一性原理计算在金属储氢材料发 展中的应用进行了分析 并对材料设计在金属储氢材料研究中的关 键问题及研究热点进行了探讨 2 1相图在储氢合金研究的应用2 1 1相图提供丰富的储氢合金的备 选种类合金相图中的二元和三元合金相常是新型功能材料的候选物 相 极大地丰富了储氢合金的种类 如以La Ni二元相图为例 其中存在的LaNi 5 LaN i 2 LaNi 3 La2Ni 及后来发现的La5Ni l9二元合金均有良好的储氢性能 Oesterreicher 20 对La Ni二元体系相图中的二元合金进行了系统研究 发现LaNi 2 LaNi 3 La2Ni7合金形成的氢化物分别为LaNi2H4 5 LaNi3H 5 La2Ni7H10 储氢量均高于LaNi5合金 La Ni Mg乏元合金相图中稳定存在的LaMgNi 4 LaMg2Ni三元合金也成为了新型储氢合金的研究热点 相图中提供了大量的晶体结构类型及组成元素 根据同型晶体结构 寻找新的储氢材料 AB2型Laves结构具有良好的储氢性能 Botet等发现REMgN4具有与Mg Cu2相同的晶体结构 见图1 因而发现新型REMgNi4储氢合金 图1MgCu2Laves结构向MgCu4Sn结构演变Fig 1The evolutionfrom MgCu2Laves structureto MgCu4Sn structure2 1 2相图指导对性能较好的储氢合金进行优化根据相图 中相组成 结构与性能关系预测材料性能 通过元素组元替代 成 分调整等指导合金成分设计 优化其储氢性能 对于性能较好的储氢合金 替代元素选取原则是元素替代后合金晶 体结构不变 即在多元相图中替代无素存在固溶 如TiMn 2 TiCr2均为Laves相 用Cr部分替代Mn开发出的TiMn l 25Cr0 25储氢量从196ml g提高至230ml g 对于性能较好的多相储氢合金 根据相图进行成分调整 优化各相 丰度 改善储氢性能 Tsukahara等发现存在了第二相TiNi相的V3TiNi具有良好的储氢性能 以三元体系v Ti Ni相图为指引的V Ti TiNi两相区备受关注 通过优化吸氢相 V T i 与催化相 TiNi 丰度 先后开发出最大容量达到420mAh g的V3Ti Ni0 56和放电容量达到540mAh g的V2 1TiNi0 3 2 1 3相图提供储氢合金制备工艺信息相图提供了合金相组成 相结 构 各相稳定存在条件等信息 用于指导储氢合金制备工艺 如La Ni二元系中 LaNi 3 La2Ni 7 La5Ni l9均为包晶相 随温度降低逐步分解 为制备单相合金 需在相图 的指导下进行热处理 储氢合金非晶化后 合金成分 相组成与非晶形成能力成为非晶储 氢合金制备的关键 特别是液体急冷法受冷却速率的限制 制约了 用该方法制备非晶的适用范围 为此 探索合金的非晶形成能力成为了相图研究的新要求 非平衡 相图由此发展起来 随着计算相图在多元合金相图领域的成功应用 不少学者开始尝试 用计算机模拟的方法预测合金的非晶形成能力 Zhang等 21 则基于驱动力准则预测了La Mg Ni体系合金的非晶形成能力 与实验结果较为吻合 然而 非平衡相图的预测仍处于起步阶段 合适的理论和合理的计 算模型都需要进一步的探索 2 2第一性原理材料计算的应用所有的材料都是由原子组成的 原子 之间都是通过化学反应联系在一起 化学反应义可以简单地解释为电子之间的作用 而这砦作用的依据 是量子物理法则 这就意味着只要知道了参与反应的原子数量和原子种类 所有的材 料性质 力学性质 化学性质 光学性质 导电性 磁性等 都可以 通过量子物理来预测 这就是基于第一性原理计算的材料设计方法 在材料科学研究领域 第一性原理计算 与据着越来越重要的地位 利用现代的高速计算机 在储氢材料领域 第一性原理计算可以 从微观尺度给出储氢材料的性质 包括晶体 电子结构 成键特征 结合能 形成焓和脱附焓以及由此估算的脱氢温度等物理化学性 质 金属储氢材料与材料设计研究进展Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterial designxx 6 15102 2 1明确储氢材料储氢机理明确材料的储氢机理 是改进材料储氢性能和开发新型储氢材料的必要条件 采用第一性原理计算研究储氢材料的储氢机理是第一性原理在储氢 领域的一大应用 计算模拟可以获得目前的实验和条件无法测得的 性质 这对于储氢材料的研究和发展具有不可替代的作用 碱金属和碱土金属的氨基化物由于储氢量较高而成为储氢材料领域 的一个研究热点 而在其脱氢机理方面一直颇有争议Chen等认为氨基化物可以与金属 氢化物发生直接的类似于酸碱反应直接脱氢 而许多研究者认为氨 基化物首先生成氨 氨与金属氢化物反应放出氢气 Song等通过第一性原理计算发现在氨苯化物中 2个H原子与N原子之 间的成键是不等的 Araujo等 22 利用基于第一性原理的分子动力学计算 模拟了385K 温度下Li2NH出原子有序排列到无序排列的相变 发现在300 400K 时 Li 离子亚点阵开始熔化并且生成一种超离子相 这时Li 能够 获得足够的动能 并在由NH2 亚点阵构成的通道中扩散 这对深入理解Li2NH的储氢机理有很大的帮助 2 2 2确定氢化物的几何结构及预测新型储氯材料由于氢化物结构复 杂且X射线衍射很难确定H原子的占位 实验方法很难精确确定氢化 物的结构 而第一性原理可以根据最小能原理及电子结构的分析给出材料最可 能的结构 另一方面 第一性原理已经成为材料设计的重要和可靠 的工具 它为材料设计提供理念和候选材料 并从理论上模拟材料 的性能 这也是储氢材料模拟与计算发展的新方向 Hu等则通过进化模拟方法 evolutionary algorithm 简称EA 计算了LiNH2在不同压力下的晶体结构 结果表 明 LiNH2在压力达到9 7GPa时会由常压下的 相 空间群I 4 转变成空间群为P 421m的四方晶系相 与实验结果基本吻合 这为Li N H系储氢材料稀缺的实验资料提供了宝贵信息 更重要的是 这证明 了EA算法作为完全不需要实验资料 仅需要材料的电子基态就可以 进行的研究方法的准确性 说明它是一种非常有效得出给定材料晶 体结构的算法 Tekin等利用模拟重结晶法以及基于密度泛函理论的第一性原理计算 对LiBH4的势能面进行了研究 预测了LiBH4晶体基于pnma空间群的 一种新稳定结构 比已发表的晶体结构能量要低9 66kJ mol 在高温 408 8K 下 一种更稳定的单斜 P2 c 结构被发现了 已知 的六方P63mc结构的声子谱中仍然有2个虚频 而新结构则未发现不 稳定的现象 第一性原理在预测和发现材料的稳定结构上起到了很大的作用 Vajeeston等研究了MgH2晶体由压力导致的结构转变 他们计算了 MgH2和一个假想的相的电子结构 并预测从 MgH2到 MgH2的相变发生在0 39GPa 该亚稳相具有四方对称的结构 晶格参 数为a 0 3813nm b 0 9416nm 这一亚稳相的生成焓58 03kJ molH2 远大于常见的 MgH2的76kJ molH2 因而更适于做储氢材料 上述的结构转变在薄 膜形态的Mg TM体系中被证实 2 2 3金属 复合氢化物储氢材料中掺杂的作用对于金属氢化物和复 合氢化物 氢以原子的形式化学吸附储存于固相 强的金属 H键 较高的热力学稳定性和缓慢的动力学阻碍了此类储氢材料的应 用 添加过渡金属或其它元素能够有效地改善其吸放氢性能 而对于掺杂作用的研究 由于涉及到电子结构的变化以及原子及电 子之间的相互作用 实验很难具体地描绘掺杂催化过程 而基于密 度泛函的第一原理计算在这一领域取得了很大的成功 金属配位氢化物作为一种典型的储氢材料 其优势在于NaAlH4和LiA lH均非常易于获取 Ozolins小组 23 的计算模拟进一步阐明了Ti的催化作用 通过密度泛函理论计算 他们得出Al通AlH3空穴迁移的活化能为85k J molH2 与实验测得的Ti NaAlH4的脱氢活化能相吻合 如图2所示 而另一种扩散方式 A1通过NaH空穴扩散的活化能为112kJ molH2 计算结果表明 Al的体相扩散是TiNaAlH4脱氢的速控步 Ti对NaAlH 4吸放氢的催化作用为 1 催化H2分子在表面的解离 2 催化H AlH3键的断裂 3 有利于Al相的结晶和连贯的TiAl3相的形成 图2NaAlH4通过AlH3和NaH空穴扩散的脱氢路径能垒图Fig 2NaAlH4th rough theAlH3and NaHhole spreadof dehydrogenationpath canbase figureNotten等发现TM Magnesium Transition metals 组元可诱导MgH2氢化物的结构发生改变 由金红石结构转变 为亚稳的f萤石结构 其可逆储氢量在6 左右 是传统AB5型合金储 氢量的4倍 而更重要的是 此结构的改变极大地改善了镁基合金的 吸放氢动力学性能 而后通过基于密度泛函理论的第一性原理方法 Pauw等计算了不同 原子替换比例下Mg TM Sc Ti Zr Hf 体系氢化物的形成焓 验证了在Mg Sc和Mg Ti体系中的结构转变成分点在原子分数20 左右 与实验结果很好的 吻合 而Mg Zr和Mg Hf体系中结构转变发生得更早 转变点在原子分数13 Mg0 87Zr0 13H2的储氢容量能够达到6 以上 同时具有比金属储氢 材料与材料设计研究进展Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterial designxx 6 1512MgH2好得多的解氢动力学性能 可以看出 改变MgH2的结构对其放氢动力学性能有非常正面的影响 而通过合金化来诱发结构转变是一种改善镁合金储氢特性的有效 途径 2 2 4纳米结构储氢材料的模拟纳米结构在储氢方面表现出了额外的 优势 具有高比表面 高稳定性和多孔性等诸多的优点 有利于氢 在表面和体面的扩散 当纳米结构用作储氢材料时 表现出优良的吸放氢动力学和热力学 性能 第一性原理计算研究纳米结构储氢材料 不仅能预测材料潜在的储 氢性能 更重要的是从电子和原子的角度根除纳米尺寸对储氢性能 的影响以及氢化过程中材料性能的变化 目前 第一性原理计算模拟的储氢纳米结构主要有纳米颗粒 纳米 薄膜 纳米管 纳米线以及纳米笼等 xx年Jongh研究小组的计算结果深化了对纳米结构储氢的理解 他们以MgH2材料为研究对象 通过基于密度泛函的第一性原理计算 发现在一定的纳米尺寸范筹内 储氢材料的脱附焓随着材料尺寸 的减小而减小 因而可以通过控制材料的尺寸来达到理想的储氢性 能 进一步又用计算离子晶体晶格的Born Harber循环解释了这一纳米尺寸效应如果将MgH2看成一个理想的离 子晶体 就可以用Born Harber循环来计算晶体的晶格焓 MgH2的晶格焓约是脱附焓的36倍 晶格焓 H 2718kJ mol 脱附熔 H 147kJ mol 因此 晶格焓的微小变化将会对脱附焓产生较大的影响 而一般说来 体系中原子数日减少时 由于原子平均配位数的减小 将会导致晶格焓的减小 这种变化对于含原子数日较少的纳米材 料更为明显 所以 对于纳米结构的储氢材料 可以通过控制材料的尺寸来控制 材料脱氢反应的脱附焓 从而达到理想的储氢性能 他们的研究结果表明 当粒径小于1 3nm时 MgH2纳米颗粒的脱附焓 将会随粒径的减小而发生显著的变化 例如 纳米晶尺寸为0 9nm的 纳米颗粒脱附焓为63kJ molH2 对应一个比块体脱氢温度 603K 更 低的脱氢温度472K Liang等对Mg纳米薄膜的计算模拟同样表明 在纳米尺寸范同内 Mg H2纳米薄膜每减少2个元胞的厚度 脱附焓减小l0kJ molH2 Peng等用密度泛函理论研究了Mg MgH2纳米线体系的储氢性能 发现 Mg MgH2纳米线体系随着纳米线直径的减小而变的不稳定 特别是当 纳米线直径接近一个纳米时 氢原子更加趋向于吸附在表面 使得 体系吸放氢的烯变骤然降至块体体系的一半左右 40kJ mol 进一步研究表明 可以通过调节H原子的含量来改变Mg H的相互作用 3总结与展望储氢材料是储氢技术发展的基础 今后储氢研究的重点 仍在于设计和开发新型高性能储氢材料上 储氢合金非晶化 纳米 化后储氢性能呈现出新的热力学和动力学特征 为新型高性能储氢 材料的研究提供了新的研究方向和思路 国际能源署提出的目标是质量储氢密度大于5 放氢温度低于423K 目前有望达到这一日标的金属储氢材料主要镁基储氢材料 金属配 位氢化物 镁基非晶 镁基纳米储氢合金以及金属配位氢化物纳米复合材料将 是未来金属储氢材料的一大趋势 现代材料设计方法广泛应用于金属储氢材料研究开发各个阶段 平衡相图很好的指导了储氢合金的开发与镍氢电池用负极材料的研 究 非平衡相图提供合金组成 结构以及非晶形成能力等信息 指 导非晶合金设计 第一性原理计算应用于储氢材料体系 对于解释 吸放氢性能改善的机理 化学反应过程 分子或者晶体结构以及预 测新型储氢材料等方面 具有原子分子层次的深入分析和准确度高 等优势 在储氢材料的研究领域中正发挥着越来越重要的作用 目前 第一性原理计算还无法模拟真实完整的材料体系 难于直接 指导设计高性能的新型储氢材料 因此 一方面 实验数据和半经验准则有利于提高理论指导 完善 第一性原理讣算模型 另一方面 逐步完善的第一性原理计算方法 可进一步指导设计高性能新型储氢材料 现代材料设计必将为储氢 材料领域带来创新性的研究成果 金属储氢材料与材料设计研究进展Recent progresson metalhydrides andthe applicationof modelmaterialdesignxx 6 1514参考文献 1 LUO W RONNEBRO E Towards aviable hydrogenstorage systemfor transportalionapplication J Journal ofAlloys andCompounds xx 404 406 392 395 2 ZALUSKI L ZALUSKA A STROM OLSEN JO Nanocrystalline metalhydrides J Jourml ofAlloys andCompounds 1997 253 254 70 79 3 李全安 陈云责 王丽华 等 贮氢合金的开发与应用 J 材科 开发与应用 1999 3 35 38 4 BOGDANOVI B SCHWICKARDI M Ti doped alkalimetal aluminiumhydrides aspotential novelreversible hydrogenstorage materials J Journal ofAlloys andCompounds 1997 253 254 1 9 5 FRIEDLMEIER G ARAKAWA M HIRAl T et al Preparation andStructural thermal andhydriding characteristicsof melt spun Mg Ni alloys J Journal ofAlloys andCompounds 1999 292 1 2 107 117 6 HUANG LJ LlANG GY SUN ZB et a1 Electrode properties of melt spun Mg Ni Nd amorphousalloys J Journal ofPower Sources xx 160 1 684 687 7 PALADE P SARTORL S MADDALENA A et a1 Hydrogen storagein Mg Ni Fe poundspropared bymelt spinningand ballmilling J Journal ofAlloys andCompounds xx 415 1 2 170 176 8 WANG H OUYANG LZ ZENG MQ et a1 Hydrogen sorptionproperty of Mg Mm Ni multi layer filmprepared bythermle everpration J Journal ofAlloys andCompounds xx 375 1 2 313 317 9 WANG H OUYANG LZ PENG CH et al MmM5 Mg multi layer hydrogenstorage thin films preparedby dcmagron sputtering J Journal ofAlloys andCompounds xx 370 1 2 L4 L6 10 DAM B LOKHORST AC REMHOF A et a1 In situpreparation ofYH2thinfilmsby PLDfor switchabledevices J Journal ofAlloys andCompounds xx 356 357 526 529 11 SUN D LEI Y LIU W et al The relationbetween thedischarge capacityand cyclingnumber of mechanically alloyed Mg xNi l00 x amorphouselectrode alloys J Journal ofAlloys andCompounds 1995 231 1 2 621 624 12 LIU W WU H LEI Y et a1 Effects ofsubstitution ofother elementsfor nickelin mechanicallyalloyed Mg50Ni50amorphrous alloysused fornickel metalhydridebatteries J Journal ofAlloys andCompounds 1997 261 1 2 289 294 13 LIU W WU H LEI Y et al Amorphization ande