稀土镁镍系储氢合金

镁镍（Mg-Ni）系储氢合金自20世纪被发现以来，就因其具有储氢量大、资源丰富和价格低廉等优势而一直备受关注。尤其是进入21世纪之后，随着传统化石能源消耗的加快，不但出现了能源短缺的问题，而且还造成了日益严重的环境问题。为此，以氢能为代表的清洁能源的开发与利用成了科学研究的热点，特别是我国提出“双碳”目标后，与氢能存储有关的研究更加受人关注。相应的以Mg-Ni系合金为代表的储氢合金开发成为材料研究的热点。尽管Mg-Ni系合金作为储氢合金有着较多的优势，然而其较高的吸放氢温度以及较差的动力学性能一直是其走向实用化道路上的拦路虎。
本书以Mg-Ni系合金为基础，介绍了通过稀土合金化、球磨制备以及复合镍等方式获得的系列储氢材料，并系统地研究这些方式和方法对Mg-Ni系储氢合金的储氢性能的影响,包括合金在吸放氢前后的组织结构变化、合金的电化学性能、气固储氢性能等。同时研究了稀土镁镍合金氢化物的稳定性，分析了材料的吸放氢机制，并通过第一性原理计算证实了YMgNi4相中Y和Mg的存在位置变化情况及Cu对Ni的替代会降低MgNiH4相的稳定性等问题。
本书由孙昊、赵凤光和张胤著，其中赵凤光完成第1章，赵凤光和张胤共同完成第2章，孙昊完成了第3~6章。全书由孙昊统稿和定稿。本书可作为研究生或从事储氢材料相关工作的人员的参考书。
本书为“稀土工程丛书”之一，在此深切缅怀为丛书作序的师昌绪先生。师先生的治学精神，指引作者做好未来的教学与科研工作。由于作者水平有限，书中不足之处，敬请读者批评和指正。

著者
2022年1月

孙昊，男，1978年2月生，内蒙古赤峰市人，中共党员，博士，内蒙古科技大学副教授，硕士生导师，内蒙古热处理学会理事。主要从事有关金属材料组织与性能控制的研究与教学工作。先后主持或参与国家自然科学基金、省级和企业科研项目多项，在International journal of hydrogen energy 等国内外重要期刊发表学术论文近20篇。获得内蒙古自治区科学技术奖一等奖1项；中国体视学学会科学技术奖二等奖1项；内蒙古自治区高等教育教学成果奖一等奖2项，二等奖1项；内蒙古自治区本科课程思政教学赛二等奖和内蒙古自治区教学创新大赛一等奖。

氢能是清洁能源，也是当今新能源产业的热点之一，而储氢合金是氢气储存与运输过程中的首选。镁镍系储氢合金储氢量大、资源丰富、价格低廉，成为储氢合金的重要组成，而稀土掺杂镁镍合金，进一步提高了镁镍合金的储氢能力以及合金的稳定性。
本书介绍了多种镁镍合金的结构与设计，并对其成分与储放氢能力进行了详细对比分析，指导读者从事相关的研究，并得到不同环境中的最佳合金成分和结构。
本书适宜从事金属材料以及新能源等产业的技术人员参考。

第1章氢能及储氢合金1
1.1氢能概述1
1.2氢的存储2
1.2.1气态储氢3
1.2.2液态储氢3
1.2.3固态材料储氢3
1.3储氢合金的储氢原理4
1.3.1气固吸氢的基本原理5
1.3.2储氢合金的电化学储氢原理9
1.3.3气固相吸放氢性能同电化学性能的关系10
1.4储氢合金的种类11
1.4.1AB5型稀土系储氢合金11
1.4.2AB2型储氢合金12
1.4.3AB3和A2B7型稀土镁镍系储氢合金13
1.4.4AB型储氢合金13
1.4.5V基固溶体储氢合金14
1.4.6Mg及Mg2Ni储氢合金14
1.5镁镍基储氢材料的研究现状15
1.5.1镁基储氢材料的发展15
1.5.2镁镍系储氢合金的发展16
1.5.3稀土镁镍系储氢合金20

第2章稀土储氢合金的制备22
2.1稀土储氢合金制备方法22
2.1.1稀土储氢合金常用原料及其基本制造方法22
2.1.2稀土储氢合金的制取工艺及设备25
2.2稀土储氢合金的热处理技术28
2.3稀土储氢合金的制粉技术28
2.3.1干式球磨制粉技术28
2.3.2湿式球磨制粉技术29
2.3.3合金氢化制粉29
2.4稀土储氢合金的表面处理30
2.4.1表面包覆金属膜31
2.4.2储氢合金的碱处理32
2.4.3储氢合金的酸处理33
2.4.4储氢合金的氟化处理33
2.4.5其他表面处理方法34
2.5储氢合金粉的包装35

第3章Y、Sm、Nd对镁镍系合金微观结构及储氢性能的影响36
3.1合金的成分设计与检测36
3.2Y、Sm、Nd对镁镍系合金相组成及微观结构的影响37
3.2.1Mg24Ni10Cu2合金相组成及微观结构37
3.2.2Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金相组成及微观结构的影响40
3.3Y、Sm、Nd对镁镍系合金电化学性能的影响46
3.3.1储氢合金的电化学性能测试47
3.3.2Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金电化学性能的影响49
3.4Y、Sm、Nd对镁镍系合金气固储氢性能的影响51
3.4.1气固储氢性能的测试51
3.4.2Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢活化性能的影响52
3.4.3Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢吸放氢机制的影响55
3.4.4Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢放氢动力学性能的影响56
3.4.5Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金氢化物热稳定性的影响59
3.4.6Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金气固吸氢热力学性能的影响60
3.5Y、Sm、Nd对镁镍系合金储氢性能影响的分析62
3.5.1Mg24Ni10Cu2合金储氢性能分析62
3.5.2Y、Sm、Nd对Mg24Ni10Cu2合金储氢性能影响的分析64
3.6本章小结71

第4章Y添加量对镁镍系合金的微观结构及储氢性能的影响73
4.1加Y实验合金的成分设计与制备73
4.2Y对Mg24Ni10Cu2合金相组成及微观结构的影响74
4.2.1Y-Mg-Ni三元相图分析74
4.2.2Y对Mg24Ni10Cu2合金相组成的影响76
4.2.3Y对Mg24Ni10Cu2合金组织与显微结构的影响81
4.3Y对Mg24Ni10Cu2合金电化学性能的影响84
4.4Y对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢性能的影响89
4.4.1Y对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢活化性能的影响89
4.4.2Y对Mg24Ni10Cu2合金吸放氢机制的影响92
4.4.3Mg22Y2Ni10Cu2合金吸放氢过程分析93
4.4.4Y对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢放氢动力学性能的影响96
4.4.5Y对Mg24Ni10Cu2合金氢化物热稳定性的影响99
4.4.6Y对Mg24Ni10Cu2合金氢化物热力学性能的影响102
4.5Y对Mg24Ni10Cu2合金气固储氢性能影响的分析104
4.5.1Y对Mg24Ni10Cu2合金吸放氢过程中相变的影响104
4.5.2Y对Mg24Ni10Cu2合金吸放氢过程中显微组织及微观结构的影响106
4.6Cu对Mg2NiH4放氢性能影响的第一性原理分析112
4.7本章小结113

第5章球磨时间对稀土镁镍合金的微观结构及储氢性能的影响115
5.1球磨时间对稀土镁镍合金微观结构及显微组织的影响115
5.2球磨时间对稀土镁镍合金电化学性能的影响120
5.2.1球磨时间对稀土镁镍合金电化学放电性能的影响120
5.2.2球磨时间对稀土镁镍合金电化学动力学性能的影响121
5.2.3球磨时间对稀土镁镍合金电化学性能影响的机制124
5.3球磨时间对稀土镁镍合金气固储氢性能的影响126
5.3.1球磨时间对稀土镁镍合金气固储氢活化性能的影响126
5.3.2球磨时间对稀土镁镍合金气固储氢吸放氢动力学性能的影响129
5.3.3球磨时间对稀土镁镍合金气固储氢吸放氢热力学性能的影响133
5.4球磨时间对稀土镁镍合金气固储氢性能影响的分析135
5.4.1球磨时间对稀土镁镍合金吸放氢过程中相变的影响135
5.4.2球磨时间对稀土镁镍合金吸放氢过程中微观组织及结构的影响136
5.5本章小结141

第6章复合镍对球磨态合金的微观结构及储氢性能的影响142
6.1复合镍对球磨态稀土镁镍合金微观结构及显微组织的影响142
6.1.1复合镍对球磨态稀土镁镍合金相组成的影响142
6.1.2复合镍对球磨态稀土镁镍合金显微结构的影响144
6.2复合镍对稀土镁镍合金电化学性能的影响146
6.2.1复合镍对稀土镁镍合金放电性能的影响146
6.2.2复合镍对稀土镁镍合金电化学动力学性能的影响148
6.2.3复合镍对电化学性能测试后合金组织的影响151
6.3复合镍对稀土镁镍合金气固储氢性能的影响153
6.3.1复合镍对稀土镁镍合金气固储氢活化性能的影响153
6.3.2复合镍后球磨态合金气固储氢吸放氢机制分析156
6.3.3复合镍对球磨态合金气固储氢放氢动力学性能的影响156
6.3.4复合镍对球磨态合金气固储氢放氢热力学性能的影响157
6.4复合镍后球磨态合金的放氢过程中相及组织结构变化159
6.4.1复合镍合金吸放氢过程中的相变159
6.4.2复合镍球磨态合金在吸放氢过程中的显微组织变化161
6.4.3复合镍球磨态合金在吸放氢过程中的显微结构163
6.5本章小结164

参考文献166