Ti基和V基薄膜的储氢特性

Hydrogen storage characteristics of Ti- and V-based thin films

Ti基和V基薄膜的储氢特性

采用溅射技术在Si和SiO2衬底上制备了由Ti、V、TiO2和V2O5层和/或不同层序和厚度的混合Ti-V-Ni层组成的一系列单层、双层和三层结构的薄膜。通过X射线衍射、X射线反射计、卢瑟福背散射和光学反射光谱的组合分析来确定层的化学成分和厚度。将膜在1bar、300℃和/或在高达100bar的高压、室温下氢化。通过二次离子质谱和N-15核反应分析测定氢浓度和氢分布。在纯Ti层中发现浓度高达50at.%的最高储氢量，而在金属Ti-V-Ni层中达到约30at.%。在V2O5层中也发现了大的储氢量（高达20at.%），而在TiO2层中没有发现氢积聚。氢可以去除Ti膜的优先取向，并诱导V2O5向VO2的完全转变。

图1 对于没有Pd覆盖和有Pd覆盖的Ti/TiO2/Ti/Si（111）膜，通过15N-NRA测定的氢分布显示在Ti层中高达50at.%的大的氢存储，而氢没有积聚在TiO2层中，Pd层对提高深Ti层的储氢性能起到了很好的催化作用

图2 顶部：TiO2/V2O5/SiO2膜在两个氢充电循环后各3小时（h（1）和h（2）），通过15N-NRA测定的氢分布。在表面下约100nm的深层中发现了20at.%的储氢。底部：膜图显示了加氢总共6小时（h（2））后加氢对膜结构和组成的影响。黑色实线表示膜和SiO2衬底之间的原始分离。蓝色垂直线表示由N-15实验确定的层厚度中的氢，即V2O5-VO2层中的氢。根据RBS分析确定的层厚度相对于根据RBS估计的值成比例地绘制，但以厘米为单位（1cm相当于20nm）来引导眼睛。不同的颜色表示层中的化学成分不同

图3 在充氢之前（沉积时）和充氢之后（顶部），通过15N-NRA测定Si（111）上Ti-V-Ni层的氢分布，以及通过RBS分析测定的膜图（底部）（见图2的图例）。在表面下约50nm的深层，即金属Ti-V-Ni层中，发现了大的储氢量（~32at.%）

图4 在充氢之前（沉积时）和之后（顶部），通过15N-NRA测定沉积在SiO2上的Ti-V-Ni层的氢分布，以及通过RBS分析测定的膜图（底部）（见图2的图片说明）。在主要由Ti-V-Ni（>75%）组成的深层中显示出相当高的储氢率（~28at.%）

结论

由Ti、V及其氧化物组成的3种不同薄膜系统的研究最重要的发现是：1）最大的氢量（氢含量高达50at.%）可以储存在Ti膜或由纯Ti层组成的薄膜系统中，2）钯可以作为氢扩散到膜中的良好催化剂，并大大提高氢的储存能力。3）氢也可以储存在V2O5-VO2层（~20at.%）和/或由Ti、V和Ni金属组成的金属（合金）层（~30at.%）。

本研究有助于研究Ti-V基薄膜的储氢性能以及加氢对其结构和物理性能的影响，我们的结果表明，这些薄膜系统可能是储氢材料的良好候选者。