Enhancing the Hydrogen Storage Properties of Ti–Mn Alloys by Ti Occupying Mn Sites: An Experimental and Theoretical Study

氢气储存 材料科学 间质缺损 冶金 钛合金 固溶体 化学工程 结晶学 化学 合金 有机化学 兴奋剂 光电子学 工程类
作者
Liang Zeng,Jian He,Jinchi Li,Liu Luo,Haonan Xi,Yigang Yan,Chaoling Wu,Shijia Mu,Zhiqiang Lan,Wei Wang,Ding Zhu,Yungui Chen
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (15): 5819-5830 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c07291
摘要

Striking a balance between hydrogen storage properties and cost is a challenge for Ti–Mn alloys. In this work, a strategy involving the utilization of inexpensive Ti to occupy Mn sites is employed to enhance the hydrogen storage properties of Ti–Mn alloys. The relationship between the composition, phases, electronic structure, and hydrogen storage properties of Ti1+xMn2–x (x = 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40, and 0.45) alloys is investigated systematically. The experiments demonstrate that the substitution ratio x of Ti occupying Mn sites is between 0.25 and 0.3. Once exceeded, the alloys gradually precipitate the αTiMn and βTi phases. All of the alloys do not require high-temperature activation. The Ti1.25Mn1.75 alloy exhibits the highest reversible hydrogen storage capacity of 1.94 wt % under 25 °C and 6 MPa. The first-principles calculation reveals that the partial substitution of Ti for Mn changes the electronic structure of the alloy and lowers the solid solution energy of H atoms within the interstitial sites of the alloy. This accounts for the observed decrease in the alloy plateau pressure following the partial substitution of Ti for Mn. This research provides valuable insights into the design of high-performance Ti–Mn hydrogen storage alloys using inexpensive elements.
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