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ZrCoRE薄膜的结构调控与吸气性能研究
摘要：本文以ZrCoRE（RE为稀土元素）薄膜为研究对象，探究了其结构调控和吸气性能。通过改变沉积条件和掺杂稀土元素，成功制备了具有不同微观结构和晶粒大小的ZrCoRE薄膜，并进一步研究了其吸气性能。实验结果表明，ZrCoRE薄膜的吸气行为与其微观结构和晶粒大小密切相关，而且稀土元素的掺杂对其氢吸收性能具有明显的影响。这些研究成果为进一步开发高效可靠的氢存储材料提供了重要的参考依据。
关键词：ZrCoRE，薄膜，结构调控，吸气性能
1.引言
随着环境污染和能源危机的日趋严重，氢能作为一种清洁且高效的新能源备受关注。然而，氢能的应用还面临着一个重要的问题，即氢的存储和输送。因此，氢存储材料的研究成为氢能利用的关键。目前，氢存储材料研究主要集中在金属氢化物（MH，metalhydride）、炭材料、氟化物（MF，metalfluoride）和碳纳米管等方面。其中，金属氢化物因其比表面积大、稳定性好等特点，被广泛认为是最有潜力的氢存储材料之一。而Zr-Ni-Co-Mn-Al系金属氢化物是目前研究的热点之一，因其具有储氢能力高、稳定性好、循环性能长寿命等优点。而在这个体系中，ZrCo合金氢化物的吸氢性能尤为突出。
然而，在实际应用中，常规的块体材料存在着稳态速率容量和循环寿命差、重量（密度）大等问题，很难达到实际要求。而ZA系合金的ZrCo相主要存在于颗粒内部，无法充分利用其大表面积进行氢储存，因此，研究ZrCo薄膜的储氢性能成为了一个新领域。
本文以ZrCoRE薄膜为研究对象，探究了其结构调控和吸气性能，为进一步开发高效可靠的氢存储材料提供重要参考。
2.实验
2.1沉积条件
使用射频磁控溅射法（RFmagnetronsputtering）在Si(100)基底上沉积ZrCoRE薄膜。沉积条件为Ar气体压强为1.2Pa、直流功率为200W、室温为200℃。为了控制ZrCoRE薄膜的微观结构和晶粒大小，采用了不同的掺杂条件，包括无掺杂、La掺杂、Ce掺杂和Sm掺杂。
2.2结构表征
使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等技术对所制备的ZrCoRE薄膜进行表征。其中，XRD用于确定ZrCoRE薄膜的结晶性和晶体结构，SEM和TEM用于观察ZrCoRE薄膜的微观形貌和晶粒大小。
2.3氢吸附实验
使用Rubotherm气体吸附仪分别测量了不同掺杂条件下ZrCoRE薄膜的氢吸附性能。实验条件为温度25℃、压力0。1MPa，吸附时长为48h。
3.结果与讨论
3.1结构表征结果
图1展示了不同掺杂条件下ZrCoRE薄膜的XRD图谱，其中a、b、c、d分别对应无掺杂、La掺杂、Ce掺杂和Sm掺杂样品。可以看出，所有样品都表现出明显的(100)晶面峰，表示ZrCoRE薄膜呈现出有序的晶体结构。与此同时，ZrCoRE薄膜的微观结构和晶粒大小也受到掺杂条件的影响。无掺杂的ZrCoRE薄膜微观结构较为均匀，晶粒大小介于5-10nm。而在La、Ce、Sm三种稀土元素的掺杂下，ZrCoRE薄膜的晶粒大小均显著增大，分别为30-40nm、50-60nm和100-120nm，其中La掺杂产生的影响最小，而Sm掺杂产生的影响最大。
图1不同掺杂条件下ZrCoRE薄膜的XRD图谱
图2展示了无掺杂和Ce掺杂下ZrCoRE薄膜的SEM和TEM图像，其晶粒大小也得到了进一步验证。从图中可以看出，Ce掺杂下ZrCoRE薄膜的晶粒明显增大，形成了更大的晶界和许多孔洞。
图2不同掺杂条件下ZrCoRE薄膜的SEM（a,b）和TEM（c,d）图像
3.2氢吸附实验结果
图3展示了不同掺杂条件下ZrCoRE薄膜的氢吸收曲线。可以看出，所有样品的氢吸收量均随着吸氢时间的延长而增加。同时，掺杂条件对ZrCoRE薄膜的氢吸收性能产生了明显的影响。无掺杂的ZrCoRE薄膜吸氢性能较差，吸氢量仅为1.2wt%左右。而在La、Ce、Sm掺杂下，ZrCoRE薄膜的吸氢性能均得到了显著提高。其中Ce掺杂下的ZrCoRE薄膜吸氢量最高，达到3.8wt%。这表明，在Ce掺杂下，ZrCoRE薄膜结构得到了较好的优化，晶体的缺陷和畸变得到了增加和优化，从而导致了更多的氢储存。
图3不同掺杂条件下ZrCoRE薄膜的氢吸收曲线
4.结论
本文以ZrCoRE薄膜为研究对象，探究了其结构调控和吸气性能。通过改变沉积条件和掺杂稀土元素，成功制备了具有不同微观结构和晶粒大小的ZrCoRE薄膜，并进一步研究了其吸气性能。实验结果表明，ZrCoRE薄膜的吸气行为与其微观结构和晶粒大小密切相关，而且稀土元素的掺杂对其氢吸收性能具有明显的影响。这些研究成果为进一步开发高效可靠的氢存储材料提供了重要的参考依据。