新型ZrCo类金属间化合物储氢同位素性能及机理研究

The storage and supply of hydrogen isotope is critical for the development of the fields such as project of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Currently, the ZrCo-based alloys have been regarded as the best candidateforhandling hydrogen isotopes. Based on theoretical calculation and analysis ofphasediagrams, our research project is proposed to design of new alloys, to carry out the investigation of ZrCo-based intermetallic compounds and their propertiesand mechanism of hydrogen storage and hydrogen isotope storage. The interactionof alloys with hydrogen isotopes would be studied, which is tried to revealrelationship among crystalline structure, microstructure and properties. The difference of hydrogen storage and hydrogen isotope storage would analyzed to establish the methods and theory for evaluation of hydrogen isotope property using hydrogen storage property. Experimental, using new technique and methods to fabricate the alloys, to adjust the size of alloy, microstructure, surface structure, coating of surface etc. Combining the analysis of microstructure, ultrafine structure, to explore the effect of structural factors on the hydrogenstorage properties. A considerable effort would be devoted to improve.the properties of the alloys, such disproportionation, pulverization, oxidationresistance etc. Finally, new ZrCo-based hydrogen isotope alloys with good overall properties would be developed. The current research project would enrich the system of hydrogen storage alloys and is important for the developmentof"Thermonuclear Reactor " etc.

氢同位素储存是热核聚变等相关领域发展的关键技术，ZrCo类金属间化合物是目前替代铀的首选储氢同位素材料。但是，ZrCo类合金综合性能尚不能完全满足需求，限制了其应用。本项目拟通过理论计算和模拟进行合金设计，开展多元ZrCo类金属间化合物储氢同位素性能及其相关机理的研究。通过分析ZrCo类合金中氢同位素的行为和相互作用规律，深入理解电子结构、晶体结构和合金宏观性能之间的关联性，建立通过储氢性能预测和评价储氢同位素行为的理论模型和方法；实现ZrCo类合金微观结构和表面结构的有效调控、以及纳米尺度合金和表面包覆的同步制备；结合微观结构分析和同步辐射精细结构分析，揭示结构参数对合金储氢同位素性能的影响及机理；提高合金抗歧化、抗粉化、耐辐照等特性，研制出储氢同位素高、循环稳定性好、动力学性能优良的ZrCo类合金。本研究将丰富储氢材料和理论体系，为储氢同位素材料在核聚变等领域的应用提供理论和技术指导！

热核聚变实验堆（ITER）项目有望从根本上解决人类能源危机。ZrCo 合金因具有无放射性、 氢化物粉末在空气中不易自燃、室温吸氢平衡压低、储氢量大、固 He 能力强等优点，最有希望取代铀用于氢同位素储存和供给。然而，ZrCo 合金易发生氢致歧化反应，储氢性能大幅衰减。ZrCo 合金氢致歧化和首次吸氢动力学缓慢等问题阻碍其涉氚领域应用。合金元素掺杂是提高 ZrCo 合金抗歧化和吸氢动力学性能的主要途径。.本项目针对ZrCo合金迫切需要研究的问题，研究 ZrCo 合金吸放氢热力学和氢动力学性能，以及抗歧化机制等，为ZrCo合金在ITER项目的实际应用提供理论指导。.在项目研究期间内，主要取得了如下研究成果：.1. 主要研究了过渡族元素对ZrCo合金的微观结构、晶体结构、储氢性能及机理的影响，优化了合金成分及制备工艺，其中解决了该合金难以破碎的关键技术问题，使该合金初步满足了INTER项目的使用要求，.2. 研究了元素添加、表面涂覆等对ZrCo合金热力学和动力学性能的影响和机理。第一性理计算表明：Mo等元素掺杂可缩小 ZrCo合金晶胞8e 间隙体积，增大 8e 间隙内 Zr-H 键长，提高抗歧化性能；从实验上验证了上述理论计算结果，解决了该合金实际应用悬而未解的难题，以为其它储氢合金的研究提供了理论指导，.3. 发展了新的ZrCo基纳米结构合金制备技术，研究了合金颗粒尺寸与储氢性能的内在联系和机理，发现纳米结构ZrCo基合金具有极其优异的储氢动力学性能。这部分的研究结果目前尚未见到报道，.4. 采用氢氟酸不完全刻蚀的方法，得到了可以利用纳米泵效应储氢的片层状的Ti2CTx储氢材料。Ti2CTx在25˚C可循环储氢量为7.5 wt%。这是已知的室温储氢材料中质量储氢密度最高值，超过了质量储氢量6.5 wt%的最终要求，具有重要的应用前景。研究论文已被Nature Nanotechnology接受。