长沙理工大学机械与运载工程学院张健教授团队在《International Journal of Hydrogen Energy》杂志上发表了1篇题为“Y-induced room temperature and low-pressure activation Ti-Mn based hydrogen storage alloys with long cycle life”的文章。
本工作中，TiMn2 和 Ti0.9Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15 合金首先通过真空电弧熔炼方法制备。此外，通过引入微量的 Y 元素部分替代 Ti，制备了一种新型的 Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15 合金。它们分别记为 TiMn2、Y-0 和 Y-0.05。通过对其微观结构、活化行为、氢吸附与脱附性能及循环稳定性进行全面系统的表征，并结合第一性原理计算，探讨了 Y 元素在 Ti–Mn 基合金中的改性机制。所得结果有望为高性能 Ti–Mn 基氢储存材料的设计与优化提供理论依据，并为其实际应用奠定基础。
Y-induced room temperature and low-pressure activation Ti-Mn based hydrogen storage alloys with long cycle life
Y掺杂室温低压活化的Ti–Mn基氢储存合金使具有长循环寿命
本研究制备了包括TiMn2、Ti0.9Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15及掺Y的Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15在内的AB2型Ti–Mn基储氢合金，采用真空弧熔法。系统研究了三种合金的显微组织和储氢性能。结果表明，合金的主要储氢相为C14型Laves相，添加Y导致形成少量Y2O3相。添加Y可提升活化性能，增加有效储氢容量，并降低氢吸收与析氢过程中的平衡平台压力。同时，Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15合金在室温及3 MPa氢压下无需活化即可实现快速氢吸收，仅120 s即可达到最大容量1.90 wt%。值得注意的是，经1000次氢吸附循环后仍保持超过97%的初始容量，显示出优异的循环稳定性。第一性原理计算表明，Y的合金化增强了合金表面对H2的吸附能力并削弱了H–H键强度，从而提高了氢的活化与吸附能力。此外，Y的合金化降低了合金的形成焓和内聚能，表明其结构稳定性下降，这很好地解释了Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15合金在氢吸附循环后产生更多微裂纹的现象。研究结果有望为高性能Ti–Mn基储氢合金的设计提供理论指导。
合金在吸氢前后的X射线衍射图谱
（a）TiMn2、（b）Y-0 和（c）Y-0.05 合金的EDS映射
氢化前TiMn2的SEM图像(a)及脱氢后(b)–(c)，氢化前Y-0的SEM图像(d)及脱氢后(e)–(d)，氢化前Y-0.05的SEM图像(g)及脱氢后(h)–(i)
Y-0 合金的(a) HRTEM 图像和(b) SAED 花样，(c) 脱氢后的 Y-0.05 合金的 HRTEM 图像和 (d) SAED 花样
TiMn2的氢吸附等温曲线、TiMn2(a)和Y-0合金(b)的氢解吸曲线、三种合金氢解吸的阿伦尼乌斯拟合曲线(c)、等温(d)、Y-0合金(e)及脱氢活化能(f)
(a) TiMn2、(b) Y-0和(c) Y-0.05 合金的 PCT 曲线，以及(a) TiMn2、(b) Y-0和(c) Y-0.05 合金的氢吸附和脱附的 Van't Hoff 图
(a)–(b) Y-0 合金和(c)–(d) Y-0.05 合金的循环稳定性
(a) TiMn2、(b) Y-0和(c) Y-0.05 合金的超胞晶体结构模型
(a)TiMn2、(b) Y-0和(c) Y-0.05 合金中，H2 分子在 (112) 平面上弛豫后的吸附模型
TiMn2、Y-0 和 Y-0.05 合金的(a)计算形成焓和(b)结合能
本研究系统地研究了稀土Y合金化对Ti–Mn基AB2型储氢合金的显微结构及储氢性能的调控作用，并获得了以下主要结论。
(1) 设计并制备了掺Y的AB2型Ti–Mn基储氢合金Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15(Y-0.05)。该合金主要由C14-Laves相组成，并形成少量Y2O3相，且晶胞体积显著增大。结构表征和成分分析表明，Y元素在合金中均匀分布，为后续的储氢过程提供了结构基础。
(2) 添加Y显著增强了Ti–Mn基合金的活化能力以及氢吸收/脱附动力学。Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15（Y-0.05）合金在常温和3 MPa下无需高压活化即可实现快速吸氢，其首次氢吸收在120秒内达到1.90 wt%。其性能优于TiMn2和Ti0.9Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15合金（Y-0），后者吸氢效率低或需要高压活化。
(3)在经过1000次高低温氢吸附与解吸循环后，Ti0.85Y0.05Zr0.1Mn1.45V0.4Fe0.15(Y-0.05)合金仍保持超过97%的容量保持率，显示出优异的循环寿命。其性能优势归因于Y元素促进微裂纹的形成与扩展，从而有利于氢的扩散通道，并且Y对氧具有很高的亲和力，有效抑制了合金的氧化和劣化。同时，Y部分氧化形成的Y2O3相可以抑制裂纹扩展，在维持合金整体结构完整性方面起着关键作用。
(4)第一性原理计算表明，掺Y显著增强了合金表面对H2分子的吸附和解离能力，从而有效提高了合金的活化性能。同时，掺Y在一定程度上削弱了合金的结构稳定性，使合金表面在氢吸附和脱附过程中易产生大量表面裂纹，进而为氢提供更多扩散通道，有效提高了氢的吸附和脱附动力学。
Zhang J, Li X D, Li Y, et al. Y-induced room temperature and low-pressure activation Ti–Mn based hydrogen storage alloys with long cycle life, International Journal of Hydrogen Energy 212 (2026) 153688.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153688
张健，教授，博士生导师，机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室副主任，长沙理工大学轻量化新材料研究所所长。主要从事结构/功能镁合金及其加工技术、异种材料连接、增材制造与表面强化技术等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目、中国博士后基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省教育厅重点及优秀青年项目、长沙市科技计划项目等纵向科研课题20余项，主持企业横向课题5项。以第一或通讯作者在国内外权威期刊上发表论文70余篇，其中SCI收录50余篇。
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