《稀有金属贮氢材料》课件

稀有金属贮氢材料氢能源新材料领域核心稀有金属提升储氢性能目录贮氢材料概述稀有金属应用主要贮氢合金类型研究进展与挑战贮氢材料概述定义能可逆吸放氢的功能材料重要性氢能源利用关键技术分类贮氢材料的工作原理吸氢过程氢分子解离吸附1氢原子扩散氢原子进入晶格2氢化物形成形成稳定相3放氢过程氢化物分解释放贮氢材料的性能指标1储氢容量重量比和体积比2吸/放氢动力学反应速率和活化能3循环寿命反复使用稳定性工作温度稀有金属的定义稀土元素镧系和钪、钇1稀散元素锂、铷、铯等2稀有贵金属铂、钯、铑等3稀有金属在贮氢材料中的作用1提高储氢容量改变电子结构2改善动力学降低活化能3增强循环稳定性抑制相分离4调节工作温度改变热力学性质AB5型贮氢合金结构特点六方CaCu5型结构代表性合金LaNi5储氢容量约1.4wt%应用领域镍氢电池负极材料AB5型合金的性能优化A侧元素替代La部分替换为Ce、Pr、NdB侧元素替代Ni部分替换为Co、Mn、Al微观结构调控晶粒细化提高性能AB2型贮氢合金1结构特点C14或C15Laves相2代表合金TiMn23储氢容量约1.8wt%AB2型合金的性能优化1优化循环性能表面改性处理2改善活化性能添加稀土元素3提高储氢容量元素部分替代AB型贮氢合金1结构特点CsCl型立方结构2代表性合金TiFe3储氢容量约1.9wt%4价格优势成本低廉AB型合金的性能优化稀土掺杂改善活化性能表面改性Pd纳米涂层第三元素添加Mn、Cr等元素镁基贮氢材料高储氢容量理论值7.6wt%成本优势资源丰富主要缺点动力学差、温度高镁基贮氢材料的改性稀土添加La、Ce等元素纳米化处理球磨细化晶粒催化剂添加Ni、Pd等过渡金属合金化设计Mg-Ni、Mg-Ti系统稀土-镁基合金系统稀土元素增加储氢能力改善吸放氢动力学稀土-镁基合金的优势7.6%高储氢容量300℃降低工作温度30%提高反应速率钒基固溶体贮氢合金BCC结构特点体心立方晶体高储氢容量达3.8wt%可调节性能多元素替代稀土改性钒基合金稀土选择La、Ce、Y等改性机理表面催化和微观调控性能提升改善循环稳定性稀土氧化物的催化作用表面活化降低活化能垒1解离吸附促进H2分子解离2扩散加速提高氢原子迁移率3相界面形成创造高活性位点4多元合金设计Ti-V-Cr系统BCC结构高容量材料Zr-Ti-V-Ni系统综合性能优异La-Ni-Co-Al-Mn系统商业化镍氢电池材料非化学计量比合金1概念组成偏离标准化学式2特点丰富的缺陷和空位3优势提高氢扩散速率4例子Ti1.1Cr1.5V0.4、La0.8Ni4.8Sn0.2稀土在非化学计量比合金中的作用1相结构调控稳定特定晶体结构2微观缺陷形成创造氢存储位点3电子结构优化调节金属-氢键强度纳米结构贮氢材料1性能提升显著改善动力学2新型效应量子尺寸效应3结构特点高比表面积、短扩散路径稀土纳米贮氢材料纳米尺度提升反应活性稀土增强催化效应复合贮氢材料设计思路多相协同效应常见类型金属-碳材料、多金属氢化物稀土作用界面调控与催化金属有机骨架材料（MOFs）结构特点高度有序多孔结构稀土MOFsLa、Y、Gd等中心金属储氢机制物理吸附为主稀有金属与碳材料复合稀土-石墨烯表面修饰提高吸附能稀土-碳纳米管一维纳米结构稀土-富勒烯零维纳米结构表面改性技术物理改性等离子体处理、机械活化化学改性酸碱处理、电化学处理涂层改性金属涂层、氧化物涂层稀土元素表面改性表面包覆稀土氧化物薄膜表面合金化表面富集稀土表面催化层稀土-过渡金属复合层制备工艺的影响1熔炼方法电弧熔炼、感应熔炼2热处理工艺退火、淬火、时效3成分均匀性影响材料性能一致性快速凝固技术原理高冷却速率特点细晶、非平衡相影响改善初始活化性能机械合金化技术工艺特点高能球磨均匀分布稀土元素纳米分散结构改变晶粒细化、非晶形成氢化物形成机理1表面吸附氢分子在表面解离2体相扩散氢原子进入晶格间隙3氢化物相形成达到临界浓度后相变热力学性质研究PCT曲线压力-组成-温度关系van'tHoff图热力学参数计算焓变测定反应热测量动力学性质研究时间(min)吸氢量(%)放氢量(%)吸放氢动力学曲线显示反应速率循环稳定性研究循环次数储氢容量保持率(%)循环寿命随充放电次数下降微观结构表征多种技术综合表征材料结构表面分析技术XPS分析表面元素价态AES分析表面成分分布TOF-SIMS表面微区分析原位表征技术原位XRD相变过程实时监测原位中子衍射氢位置精确测定原位XAS局部结构环境变化计算模拟方法第一性原理量子力学计算分子动力学原子运动轨迹蒙特卡洛模拟统计热力学行为稀土元素对电子结构的影响1理论计算能带结构变化2实验验证X射线吸收谱、光电子谱34f电子作用调节局部电子密度新型稀有金属贮氢材料探索高熵合金多主元素等原子比准晶材料具有特殊对称性多层薄膜纳米尺度调控轻质稀土贮氢材料Sc基材料轻质高强度Y基材料良好热稳定性La基材料经典AB5典型代表重质稀土贮氢材料Gd基材料磁性与储氢协同Er基材料高温应用潜力Dy基材料特殊电子结构稀散金属在贮氢材料中的应用1In添加效果改善低温性能2Ga添加效果促进相转变3Li添加效果轻量化设计稀有贵金属催化剂Pd纳米催化剂氢分子活化解离Pt-Ru合金催化剂抗中毒性能好Rh、Ir催化剂高活性氢解离贮氢材料在镍氢电池中的应用AB5型AB2型AB型其他镍氢电池主要采用AB5型合金贮氢材料在燃料电池中的应用固态储氢安全可靠车载系统便携式供氢快速响应满足动态需求贮氢材料在热化学储能中的应用吸热阶段金属氢化物分解1热能存储化学能形式2放热阶段金属重新吸氢3热量利用供热或发电4贮氢材料在氢纯化中的应用金属膜分离Pd基合金膜选择渗透稀土合金纯化选择性吸附氢气工作原理氢溶解扩散选择性贮氢材料在氢压缩机中的应用低压吸氢常温吸附加热阶段温度升高高压放氢压力提升稀有金属资源状况中国拥有全球最大稀土储量稀有金属提取与回收技术绿色提取离子液体萃取废旧回收镍氢电池回收利用循环经济全生命周期管理贮氢材料的成本分析40%原材料成本30%制备加工成本30%测试与质控成本贮氢材料的安全性评估1氢脆问题金属材料强度降低2热管理吸放氢放热控制3粉尘防护细粉爆炸风险4压力控制容器安全设计贮氢材料的标准化性能测试标准ISO/TC197规范安全应用规范车载储氢标准材料认证质量评级体系未来