稀土掺杂对稀土-镁基合金储氢性能的影响

本工作构建了稀土掺杂的储氢合金体系,通过提高其稀土氢化物的催化能力来改善Mg-RE系储氢合金的性能,并分析了不同稀土掺杂后合金性能的差异,以获得改善其热力学和动力学性能的途径.通过真空感应熔炼制备了Mg90 Ce5 RE5(RE=La、Nd、Sm、Y)合金,并分析了其相应的物相组成和微观结构.同时,采用等体积方法测试了Mg90 Ce5 RE5不同温度下的压力-温度-组成(PCT)曲线和等温吸放氢动力学性能.结果表明,氢化后的样品均是由MgH2相和相应的稀土氢化物REH2+x相组成的复合材料,然而在放氢后,仅MgH2相发生分解反应,生成Mg相并放出氢气.原位生成的REH2+x相不发生分解,通过降低Mg-H键的稳定性、合金的表观活化能以及提升H原子的扩散速率,来促进Mg与MgH2的可逆转化.这导致了不同合金的PCT平台压高度的变化,从而影响其热力和动力学性能.不同合金的热力学焓变从大到小的规律分别为Mg90 Ce5 La5>Mg90 Ce5 Nd5>Mg90 Ce5 Sm5>Mg90 Ce5 Y5,这和各掺杂元素与Ce的亲和力关系一致,由此可见异质元素的共掺杂更有利于改善合金的热力学性能.同时,对应于RE=La、Nd、Sm、Y合金的放氢活化能值分别为112.6 kJ/mol、114.3 kJ/mol、104.9 kJ/mol、123.3 kJ/mol.此外,各合金在放氢反应中的速率,受制于氢原子在合金表面的复合能,这为稀土-镁基储氢合金的改善提供了重要的科学依据.