一种快速选取出氢同位素分离材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种快速选取出氢同位素分离材料的方法。
【背景技术】
[0002]在氢同位素分离的许多方法中，利用贮氢材料的氢同位素效应来进行分离是其中很有前途的一种方法。这种方法的关键是需要一种同时具有显著氢同位素效应与优良贮氢性能的材料。迄今为止，金属钯是所有材料中综合性能的最优者。但是，钯是一种十分昂贵的金属，因此，这限制了它在工业中的大规模应用。另一方面，钯具有正同位素效应，这对于处理重的氢同位素(如氘或氚)浓度很低时的情况是不利的。此时，我们需要具有反氢同位素效应的材料来处理一些特殊的情况。
[0003]钒是一种具有较大反氢同位素效应的金属，但是它活化困难，可逆贮氢量不大，动力学性能太差，而且容易毒化。其他的一些金属或合金，要么是氢同位素效应不显著；要么是贮氢性能较差。综合来看，目前真正能够实际用于氢同位素分离的材料只有钯。因此，不管是研究人员还是工程师，都迫切希望能够找到一种既具有显著反氢同位素效应，同时又具有优良贮氢性能的材料，以取代昂贵的钯，或者应用于钯不太适合的情况。近年来，T1-V-Cr (钛-钒-铬)系固溶体贮氢合金的贮氢性能得到了非常系统的研究，关于合金各项性质与贮氢性能间的关系已经基本弄清。这些研究成果表明，T1-V-Cr系合金是一种很有前途的贮氢材料，既具有大的贮氢量，又具有优良的动力学性能，而且其坪台压力还可以在很宽的范围内调整。
[0004]所以说，如果确定的T1-V-Cr合金具有显著的反氢同位素效应，就很有可能在氢同位素的处理(例如氢同位素的分离)中，拥有广阔的应用前景。然而，面对不同的氢同位素的处理需求，目前国内外并未见到如何快速、有效选取出同时具有反氢同位素效应和优良贮氢性能的T1-V-Cr合金的相关报道，通常都是经过大量近乎没有头绪的实验来进行筛选，因而不仅延长了技术研发的周期，而且也大幅增加了研发的成本。
【发明内容】
[0005]针对上述技术的不足，本发明提供了一种快速选取出氢同位素分离材料的方法，为快速获得同时具有显著反氢同位素效应和优良贮氢性能的T1-V-Cr (钛-钒-铬)合金材料，提供了研究和设计的思路。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种快速选取出氢同位素分离材料的方法，包括以下步骤:
(1)选择钛钒铬合金作为氢同位素分离材料，并确定所选取的钛钒铬合金中，钒的含量为40at%，同时，钛、钒和铬的纯度均大于99.9% ；
(2)根据确定的钒的含量，在确保钛钒铬合金中金属原子最外层的s电子和d电子个数的总合e/a=4.4?5.6的条件下，按照实际需求调整钛和铬的含量；
(3)根据步骤(2)确定的钛、钒、铬的含量，得到钛钒铬合金的分子式，确定需要选取的钦钥i络合金。
[0007]进一步地，所述步骤(2)中，钛钒铬合金中金属原子最外层的s电子和d电子个数的总合e/a=4.8?5.2，并且步骤(2)中铬的含量为20?40at%。
[0008]再进一步地，所述步骤(2)中，钛钒铬合金中金属原子最外层的s电子和d电子个数的总合e/a=5，并且所述步骤(3)确定的钛铬合金分子式为Ti3(lV4(lCr3(l。
[0009]本发明的设计原理在于，我们根据T1-V-Cr合金的平均价电子浓度(e/a)设计各个成分，并辅以合金中的钒含量来对各项性能进行调整，从而选取出具有显著反氢同位素效应的T1-V-Cr合金。由于合金的电子结构对其热力学性质有显著的影响，而平衡分离因子α也是合金的一种热力学性质，因此,T1-V-Cr合金中的e/a会对α有较大的影响。从理论上来看，这会有两个方面的影响(就反氢同位素效应而言)，一方面，e/a增加会导致原子间相互作用增强，从而导致合金的晶格常数降低，根据屏蔽质子模型和分离因子的谐振模型可以知道，这种效应会导致晶格间隙中氢原子的振动能增加，从而增加分离因子α ;另一方面，e/a增加会导致氢原子占据八面体间隙的增加，从而降低分离因子α，这是由于氢在八面体间隙和四面体间隙中的势能曲线所决定的。因此，在两方面因素的影响下，分离因子α必将随着e/a的增加而增加，并在某点达到极大值后逐渐降低，而结果表明，在确定e/a的范围为4.4?5.6，且钒的含量为40&丨％后，不管是e/a或是钒的含量，低于上述确定的下限值会导致放氢困难，而高于其上限值则会导致吸氢困难。因此，依照这个原理和思路，本发明设计的选取方法所确定的T1-V-Cr合金将具有优良的贮氢性能，可以满足不同的氢同位素的分离需求。
[0010]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
(I)本发明申请人发现并研究设计了一种能够快速选出氢同位素分离材料的方法，其通过T1-V-Cr合金的e/a和钥;含量范围来选取具有反氢同位素效应的分离材料,从而不仅可以选取出同时具有较大反氢同位素效应和优良贮氢性能的T1-V-Cr合金，而且可以根据实际的分离条件灵活的调整合金成分以满足实际需求。如此一来，只需通过少量、甚至无需实验确定，便可选出所需要的钛钒铬合金材料，这无疑极大地节约了研发的成本，并且缩短了研发的周期。本发明为寻找具有显著反氢同位素效应的T1-V-Cr合金提供了非常好的思路，有效地制定了一种标准，填补了这方面的空白，使得氢同位素分离技术的研究上升到了一个新的高度，为降低氢同位素分离技术的研发成本提供了很好的保障。
[0011](2)本发明中e/a优选的范围为4.8?5.2，在钒的含量为40at%、且铬的含量为20?40at%条件下，在e/a=4.8?5.2的范围内，选出的T1-V-Cr合金都具有显著的反氢同位素效应(分离因子α >1.3)，并且在这个范围内，其坪台压力可以变化几个数量级，因而完全可以灵活满足实际应用的需求。
[0012](3)本发明所确定的最佳钛钥;铬合金(分子式Ti30V4tlCr3tl),反氢同位素效应明显、贮氢量高(可达到420ml/g)、活化速度快、抗毒化性能好，与现有的反氢同位素效应材料相t匕，其在综合性能方面(即同时考虑分离因子和贮氢性能)具有十分明显的优势。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的实现流程示意图。
[0014]图2为本发明中分离因子与e/a的关系曲线图。
[0015]图3为本发明中分离因子与钒含量的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
[0017]如图1所示，本发明提供了一种快速选取出氢同位素分离材料的方法，其主要针对的是T1-V-Cr系列的合金，并且可以灵活根据实际分离条件设计和选取出所需的钛钒铬合金材料。本发明主要由以下步骤组成:
(1)确定要选取的钛钒铬合金中，钒的含量为4O a t %，并且钛、钒和铬的纯度均大于99.9% ；
(2)根据确定的钒的含量，在确保钛钒铬合金中的e/a=4.4?5.6的条件下，按照实际需求调整钛和铬的含量；
(3)根据确定的钛、钒、铬的含量，确定钛钒铬合金的分子式，得到需要选取的钛钒铬合金；本发明在e/a=4.4?5.6、V=40at%条件下选取出的钛I凡铬合金有:Ti6QV4(lCrQ(e/a=4.4)、Ti55V40Cr5 (e/a=4.5)>Ti50V40Cr10 (e/a=4.6)、Ti45V40Cr15 (e/a=4.7)、Ti40V40Cr20 (e/a=4.8)、Ti35V40Cr25 (