一種釔-鐵基合金材料、制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲(chǔ)氫合金材料領(lǐng)域，特別涉及一種釔-鐵基合金材料、制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是稀土資源大國(guó)，儲(chǔ)量占全球的50%以上。然而稀土資源的有效利用則存在著嚴(yán)重的不平衡。目前稀土的應(yīng)用主要集中在磁性、熒光、陶瓷、玻璃、儲(chǔ)氫、冶金等領(lǐng)域。其中，磁性和熒光是最大兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，占了稀土應(yīng)用的近70%，決定著稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。熒光材料主要利用Eu和Tb，磁性材料主要使用Nd、Pr、Dy、Gd、Tb、Sm等稀土元素。然而稀土材料中更多的是La、Ce和Y等輕質(zhì)稀土元素，這些元素由于磁性和熒光產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展造成了大量積壓。一方面稀土資源日趨緊張，另一方面輕質(zhì)稀土堆積如山成為了產(chǎn)業(yè)負(fù)擔(dān)。稀土資源有效綜合利用成為了一個(gè)越來(lái)越緊迫的問(wèn)題。
[0003]能源危機(jī)、環(huán)境污染以及氣候變化是當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展面臨最重要的挑戰(zhàn)之一。解決能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今社會(huì)的緊迫性問(wèn)題。氫氣來(lái)源豐富、燃燒熱大、燃燒產(chǎn)物清潔，是理想的能源?？煽康臍浯鎯?chǔ)技術(shù)是氫能應(yīng)用中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，研發(fā)高效、低成本的儲(chǔ)氫材料是氫能大規(guī)模利用的核心問(wèn)題。稀土合金可以在常溫低壓下儲(chǔ)存氫氣，是一種理想的儲(chǔ)氫介質(zhì)，在能源、化工、電子、宇航、軍事及民用各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如利用稀土儲(chǔ)氫合金釋放氫氣時(shí)產(chǎn)生的壓力，可以用作熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力；采用稀土儲(chǔ)氫合金可以制成體積小、重量輕、輸出功率大的升降裝置和溫度傳感器等。然而該類材料的儲(chǔ)氫容量較低，而且在與氫氣的反應(yīng)當(dāng)中，會(huì)發(fā)生歧化分解或者晶體結(jié)構(gòu)非晶化，導(dǎo)致可逆容量過(guò)低，應(yīng)用受到了限制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種釔-鐵基合金材料，可逆儲(chǔ)氫量高，吸氫溫度低，吸放氫循環(huán)壽命長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)多次吸放氫后，儲(chǔ)氫容量沒有明顯衰減，材料吸收氫氣后，能夠保持原有的晶格結(jié)構(gòu)，不發(fā)生歧化分解。
[0005]本發(fā)明的目的之二在于提供上述釔-鐵基合金材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的之三在于提供上述釔-鐵基合金材料的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]—種釔-鐵基合金材料，化學(xué)通式為YFexMy，其中，M為金屬鋁、錳或者鈷元素中的一種以上，且I <x< 1.9，0.3<y< 1.2，1.8<x+y<2.2。
[0009]所述的釔-鐵基合金材料的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)把釔、鐵和金屬M(fèi)的金屬塊體材料按化學(xué)通式的物質(zhì)量的比例混合，在溫度高于1300°C的條件下熔煉，冷卻后得到合金鑄錠；
[0011 ] (2)將合金鑄錠破碎成粉末狀態(tài)，得到釔-鐵基合金材料。
[0012]為了提高合金的均勻性可以多次重熔，得到成分均一的合金材料鑄錠，在進(jìn)行步驟(I)之后，進(jìn)行步驟(2)之前，進(jìn)行以下步驟:
[0013](a)將步驟(I)中得到的合金鑄錠在溫度高于1300°C的條件下反復(fù)熔煉多次。
[0014]步驟(I)所述在溫度高于1300 °C的條件下熔煉，具體為:在溫度為1300-1500 °C下熔煉3-10分鐘。
[0015]步驟(I)所述的熔煉，具體為:在真空度為2.0x10—3?1.0x10—3Pa的條件下于電弧熔煉爐或感應(yīng)熔煉爐中熔煉。
[0016]步驟(a)所述的在溫度高于1300°C的條件下反復(fù)熔煉多次，具體為:在溫度為1300-1500°C下反復(fù)熔煉多次，每次熔煉3-10分鐘。
[0017]步驟(a)所述的熔煉，具體為:
[0018]在真空度為2.0x10—3?1.0x10—3Pa的條件下于電弧熔煉爐或感應(yīng)熔煉爐中熔煉。
[0019]步驟(a)所述將步驟(I)中得到的合金鑄錠反復(fù)熔煉多次，具體為:
[0020]將步驟(I)中得到的合金鑄錠翻面，并且重新熔融和冷卻，反復(fù)熔煉多次。
[0021]步驟(a)得到合金鑄錠放置于氬氣保護(hù)氣氛中，溫度為22?25°C;步驟(2)所述的破碎，具體為:在氬氣保護(hù)氣氛中破碎。
[0022]所述的釔-鐵基合金材料的應(yīng)用，作為儲(chǔ)氫材料或用于制造鎳氫電池。
[0023]本發(fā)明的原理如下:傳統(tǒng)的稀土合金材料，在與氫氣反應(yīng)的過(guò)程中，多數(shù)伴隨著歧化現(xiàn)象出現(xiàn)，如YFe2合金與氫氣反應(yīng)生成YH3和Fe，從而使得合金的可逆儲(chǔ)氫量非常低，難以投入到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用當(dāng)中。本發(fā)明采用鋁、錳或者鈷元素中的一種或多種部分替代YFe2合金中的鐵元素，YFe2、YCo2和YMn2的原子排列均屬于MgCu2型拉弗斯相密排結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在由稀土金屬原子和過(guò)渡金屬原子組成的四面體結(jié)構(gòu)，而這些四面體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的空隙可以被氫原子所占據(jù)，形成間隙固溶體。因?yàn)樘娲拥陌霃脚c鐵原子有所區(qū)別，使得合金中的四面體間隙的尺寸發(fā)生改變，氫原子因此更容易進(jìn)入其中，從而提高和改善了合金的儲(chǔ)氫量和儲(chǔ)氫性能。與此同時(shí)，替代原子的加入也會(huì)削弱釔原子與氫原子之間的作用力，阻礙了釔氫化物的產(chǎn)生，從而解決了合金與氫氣反應(yīng)時(shí)的歧化問(wèn)題。此外，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了非化學(xué)計(jì)量比的成分，使得合金中的晶格存在原子缺位，從而使得更多的氫原子進(jìn)入晶格間隙，有效提高了合金的儲(chǔ)氫容量。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0025](I)本發(fā)明的釔-鐵基合金材料儲(chǔ)氫容量高，最大儲(chǔ)氫量達(dá)到1.8wt.%。
[0026](2)本發(fā)明的釔-鐵基合金材料吸氫溫度低，在室溫下，即可以與氫氣發(fā)生作用，達(dá)到儲(chǔ)存氫氣的效果；
[0027](3)本發(fā)明的釔-鐵基合金材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氫原子以固溶的方式存在于合金晶格的間隙當(dāng)中，因此合金在吸氫后，能夠保持原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)不變，不生成新的物相。
[0028](4)本發(fā)明的釔-鐵基合金材料循環(huán)吸放氫性能優(yōu)異，經(jīng)過(guò)多次吸放氫氣后容量基本保持不變，且循環(huán)滯后性小。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的釔一鐵一鋁合金在不同狀態(tài)下:(a)熔煉產(chǎn)物、(b)吸氫產(chǎn)物、(c)脫氫產(chǎn)物的XRD圖譜。
[0030]圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1和實(shí)施例2的釔一鐵一鋁合金的吸氫動(dòng)力學(xué)性能曲線圖。
[0031]圖3是本發(fā)明的實(shí)施例3的釔一鐵一鋁合金在不同狀態(tài)下:(a)熔煉產(chǎn)物、(b)吸氫產(chǎn)物、(c)脫氫產(chǎn)物的XRD圖譜。
[0032]圖4是本發(fā)明的實(shí)施例3和實(shí)施例4的釔一鐵一鋁合金的吸氫動(dòng)力學(xué)性能曲線圖。
[0033]圖5是本發(fā)明的實(shí)施例5-7的釔一鐵一錳合金的吸氫動(dòng)力學(xué)性能曲線圖。
[0034]圖6是本發(fā)明的實(shí)施例8-10的釔一鐵一鈷合金的吸氫動(dòng)力學(xué)性能曲線圖。
[0035]圖7是本發(fā)明的實(shí)施例11-14的釔一鐵一鈷一鋁合金和釔一鐵一錳一鋁合金的吸氫動(dòng)力學(xué)性能曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0037]實(shí)施例1
[0038](I)把釔塊、鐵塊和鋁塊(純度均不低于99wt.%)按照分子式Y(jié)Fe1.5Al0.3，即釔塊、鐵塊和鋁塊按質(zhì)量分?jǐn)?shù)49.18%、46.34%和4.48%的配比混合均勻，在電弧熔煉爐中1400°C熔煉5分鐘，冷卻后得到合金鑄錠;電弧熔煉爐真空室內(nèi)的真空度為1.0x10—3Pa。
[0039](2)將步驟(I)中得到的合金鑄錠翻面，并重新熔融和冷卻，如此反復(fù)熔煉5次。重新熔融在電弧熔煉爐中進(jìn)行，電弧熔煉爐真空室內(nèi)的真空度為I.0x10—3Pa，溫度和時(shí)間同步驟(I)。得到的鑄錠放置于氬氣保護(hù)氣氛中，溫度為22?25°C。
[0040](3)于氬氣保護(hù)氣氛中將鑄錠破碎成粉末狀態(tài)，得到成分均一、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的釔-鐵-鋁合金儲(chǔ)氫材料。
[0041]圖1中的(a)即為此實(shí)施例中熔煉產(chǎn)物破碎成粉末后的X射線衍射圖譜，此外還摻入了硅粉作為內(nèi)標(biāo)。從該圖譜可見，熔煉產(chǎn)物相結(jié)構(gòu)即為MgCu2型拉弗斯相密排結(jié)構(gòu)，并且成分均一穩(wěn)定。恪煉產(chǎn)物在100°C，4MPa氫壓下氫化后，便可得到吸氫產(chǎn)物。圖1中的(b)所示的吸氫產(chǎn)物X射線衍射圖譜可見，吸氫后的合金相結(jié)構(gòu)保持不變，而衍射峰的位置整體往低角度偏移，由此說(shuō)明合金吸氫后沒