本技术介绍了一种提升高密度金属基储氢合金对CO2和CO毒化性能的表面修饰方法。该方法通过活化脱氢处理ZrCo基合金,实现原位表面修饰,有效增强合金的抗毒化能力,提高储氢效率和稳定性。
背景技术
氘氚可控核聚变技术是未来获取清洁能源的主要方式之一。在核聚变反应堆的运行过程中,氘氚燃料的安全、稳定、高效供应至燃料加注系统是保障反应堆稳定运行的关键。随着ITER(国际热核聚变实验堆)等核聚变项目的推进,氢同位素的回收、储存与供给技术成为研究的重要方向。特别是针对氚这一放射性同位素的管理,技术挑战尤为显著。氚不仅具有放射性,且资源稀缺,因此其高效回收和安全储存已成为确保核聚变能量可持续发展的重要课题。通过采用具有特定热力学与动力学特性的高密度金属基储氢材料,可实现氢同位素的安全存储与精确供给。高密度ZrCo金属基合金材料在室温条件下具备较低的吸氢平台压力(约10-3
Pa),能够在较低的压力下实现高效吸收氢同位素。此外,其吸放氢动力学快速,吸氢和放氢反应能够在短时间内完成,满足聚变反应堆对氢同位素的动态需求。更重要的是,ZrCo合金无放射性,具有较高的使用安全性,且自燃风险低,具备良好的固定氦性能,适合用于核聚变反应堆等高安全要求的环境中。因此,ZrCo合金已成为氢同位素储存与供给系统中的重要候选材料,具备广阔的应用前景。
然而,ZrCo合金在实际应用中也会遇到一些问题。例如,在ITER的运行过程中,由于氘氚聚变反应产生的高温对设备材料的烧蚀作用,CO2
、CO等杂质气体会不可避免的混杂在氢同位素气体中,这些含氧杂质气体的出现会严重减慢ZrCo基合金的吸氢速度,当杂质气体达到一定含量时,贮氢合金甚至会完全失去活性,从而影响了ZrCo基合金在ITER氢同位素储存领域中的应用。因此,需要开发针对ZrCo基合金的有效表面改性方法,以提高合金的抗毒化能力,进而延长其使用寿命。
为了改善ZrCo基合金的抗毒化性能,研究人员已经提出了几种方案。例如,浙江大学利用ZrCo合金在含CO2
杂质气体的H2
中主动进行多次吸放氢循环,从而在其表面原位同质构筑了具有高氢化反应催化活性的Co纳米颗粒,进而提高了ZrCo合金抗CO2
毒化能力(一种增强ZrCo合金抗二氧化碳毒化性能的方法,专利号:ZL202211727886.0)。然而,该方法要求对ZrCo合金在混合气中进行多次吸放氢循环以达到理想的抗毒化效果,工艺比较复杂,并且随着吸放氢循环的进行,ZrCo合金会不可避免地分别与H2
和CO2
发生歧化和氧化反应,导致改性过程中储氢容量的持续下降。中国工程物理研究院将致密的SiO2
包裹在ZrCo合金表面,提高了合金抗CO、CO2
和空气毒化的能力(增强ZrCo合金抗CO、CO2
、空气毒化以及抗粉化性能的方法,专利号:ZL201410532678.4);北京有色金属研究院在ZrCo合金表面修饰了Pd或Pd-Ag化学镀层,研究发现镀覆保护层后的PdAg/ZrCo合金,其抗CO、CO2
等杂质气的能力增加。但是,上述工艺亦存在一些不足,其需要采用对ZrCo异质包覆其它金属元素的复杂工序,而这些包覆金属元素本身无法有效储氢而且还容易与Zr或Co元素发生合金化反应,导致样品的实际质量储氢容量下降,从而增加了制备样品的难度和不确定性。同时,这种非原位生长的包覆层与ZrCo结合不紧密,容易在循环使用的过程中脱落而造成抗毒化性能下降。此外,Pd/Ag的成本也较高,不利于规模化推广应用。为了进一步提升ZrCo基合金的抗毒化性能,需要开发更为简洁、高效且成本可控的原位表面改性方法。
实现思路