多种同步辐射技术研究储氢材料在吸放氢过程中结构变化

能源是国民经济的基础，是人类赖以生产、生活和生存的重要源泉。从未来社会能源结构看，化石资源的日渐匮乏和生态环境的不断恶化，寻找和发展新型能源为全世界所瞩目。环境污染已经是人类巨大的危害，而汽车尾气也成为大气污染的一个主要来源。可以预见，未来四届将从以碳为基础的能源经济形态转变为其他新能源经济形态。氢能是可再生清洁能源，具有可存储、可输运、可灵活应用等特点。

储氢材料的开发是解决氢能应用中氢存储技术难题的关键。储氢材料催化和反应机理目前世界范围内研究结果并不明晰。结合多种同步辐射技术，针对储氢材料结构进行研究，给解决机理问题带来希望。北京科技大学物理系巨新教授领导的研究组对V系、Zr系和络合氢化物NaAlH4结构和基础理论进行了深入研究，相关的研究成果发表在2010年刊登《International Journal of Hydrogen Energy》杂志的三篇文章中。

图1. ZrCo合金掺杂Sc、Hf和Ti的拟合结果图

研究表明ZrCo中掺杂Hf元素与Co原子形成更强烈作用，Ti元素的掺杂极大改变了Co的局域结构，SAXS实验指出吸氢后的样品粒度增加。TiVCr合金中由于氢原子的进入合金单元中原子间距增加，吸氢后V基BCC合金相转变为含H的FCC相。在对催化可逆NaAlH4的XPS研究中，针对VBXPS进行实验和理论计算结合发现催化剂抑制了NaAlH4电子结构P轨道电子，活跃了NaAlH4 和Al的S轨道电子；吸氢和放氢过程中P轨道电子减少，S轨道电子增加。

图2. NaAlH4 相的晶体结构，NaAlH4, Na3AlH6和Al的PDOS。

利用北京同步辐射装置（BSRF）获得V系和Zr系储氢合金吸氢前后的XAFS结构(1W1B-XAFS站)；NaAlH4的XPS电子结构结合第一性原理理论计算(4B9B-XPS站)。

此研究为理解储氢材料吸放氢过程材料本质结构变化提供了探索方向，在同步辐射优秀光源的帮助下对研究催化和反应机理提供了希望。

发表文章

[1] Chubin Wan, Xin Ju*, Ying Qi, et al., Synchrotron EXAFS and XRD studies of Ti-V-Cr hydrogen absorbing alloy. Int. J. Hydrogen Energy 2010;35:2915-20.

[2] Ying Qi, Xin Ju*, Chubin Wan, et al., EXAFS and SAXS studies of ZrCo alloy doped with Hf, Sc and Ti atoms. Int. J. Hydrogen Energy 2010;35:2931-5.

[3] Chubin Wan, Xin Ju*, Ying Qi, et al., Valence band of catalyst doped sodium alanate by X-ray photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation. Int. J. Hydrogen Energy 2010;35:1213-8.

Department of Physics, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, P.R. China

*Corresponding author. Tel.: +86 10 62333921; Fax: +86 10 62333921; Email: jux@sas.ustb.edu.cn (Xin Ju); cbinwan@yahoo.com.cn (Chubin Wan)