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随着能源危机和环境问题的日益加剧,人类迫切需要寻求一种高效的可再生清洁能源来替代传统的化石燃料。氢气被认为是一种可用于先进燃料电池和燃烧的最具前景的能源载体,其具有除核能外最高的单位质量储能密度、且环境友好。对于氢燃料电池汽车,车载储氢需要更轻便、紧凑和经济的体系来替代高压气体储氢瓶。Mg H2具有质量和体积储氢密度高（分别为7.6wt.%和110g/L）、吸放氢可逆性好、资源丰富和无毒等优点,其在固体储氢应用方面显示出巨大的潜力。然而Mg-H键热力学稳定性高,氢分子在Mg表面的解离及氢原子在Mg H2表层的重组相对困难,且氢原子在Mg、尤其是Mg H2中扩散系数低,导致制备适于室温储氢的材料面临巨大挑战。本研究中,采用冶金法制备Mg-Ni系储氢合金,通过研究具有不同成分和结构特点的Mg-Ni系储氢合金的凝固组织和吸放氢行为,揭示合金的相组成和显微组织对储氢性能的优化机理。本文首先研究Mg-Ni合金的凝固组织和吸放氢行为,制备了亚共晶Mg92Ni8合金和过共晶Mg85Ni15合金,初生相分别为Mg和Mg2Ni。其中,Mg85Ni15合金的活化和等温吸放氢性能更优,Mg92Ni8合金的储氢量更高。合金表面的Mg-Mg2Ni共晶界面可为氢分子的解离和氢原子的渗入提供活性位点。利用Kissinger方程,计算出Mg92Ni8和Mg85Ni15氢化物的脱氢表观激活能,分别为134.67k J/mol H2和88.34k J/mol H2。共晶Mg H2-Mg2Ni H4的分解产生“协同效应”,进而促进Mg92Ni8氢化物中初生Mg H2的分解。由于Mg85Ni15合金中不含初生Mg,其氢化物的放氢动力学性能更优。过渡金属Cu为B类元素,有助于优化Mg-Ni合金的放氢性能。利用Cu部分替代Ni,调控亚共晶Mg-Ni合金的共晶组织,研究其对储氢性能的影响。选定的合金成分为Mg91Ni6Cu3,并利用初生Mg比例相近的Mg91Ni9和Mg88Cu12合金作为对比。Mg91Ni6Cu3合金中形成连通的Mg2Ni共晶和大量共晶界面,可促进氢原子扩散。使Mg91Ni6Cu3合金的活化和等温吸放氢性能更优,在300℃、3MPa氢压下的储氢量可达6.5wt.%。脱氢反应的平衡氢压增大和Mg2Ni H4的“氢泵效应”,使Mg91Ni6Cu3氢化物的脱氢表观激活能仅为67.34k J/mol H2,且DSC分解温度明显低于Mg91Ni9氢化物。对Mg91Ni6Cu3合金在不同条件下的等温吸氢曲线进行JMA线性拟合,得出其不同于金属Mg的氢化行为。提高氢压至某一阈值,Mg91Ni6Cu3合金的氢化反应分为三个阶段。提高氢压和降低温度均有助于氢化相形核,但对氢原子扩散作用相反,导致温度和氢压对氢化反应具有不同影响。共晶界面可促进氢原子扩散,氢化反应驱动力增大时,Mg91Ni6Cu3合金的储氢量增大。为了进一步明确Cu对亚共晶Mg-Ni-Cu合金吸放氢性能的影响机理,制备了Mg91Ni9-xCux（x=3、4.5、6）合金。Cu含量提高导致Mg91Ni9-xCux合金的共晶组织粗化,活化和中温储氢性能变差。Cu原子通过占据Mg2Ni晶格中Ni原子位置,形成晶格常数增大的Mg2Ni/Cu,有助于氢原子扩散。循环吸放氢后,Mg2Ni/Cu未发生改变。Mg91Ni6Cu3合金的共晶界面较多,在175℃、1MPa氢压下的储氢量可达5.60wt.%。Mg91Ni6Cu3氢化物的脱氢反应平衡氢压较大且能够协同放氢,使其在225℃的等温放氢性能最优。而Mg91Ni4.5Cu4.5和Mg91Ni3Cu6合金中Mg2Ni/Cu的独立氢化过程导致合金的储氢量不同程度降低。稀土元素La为A类元素,可与Mg形成Mg-La Mg12共晶,有助于优化亚共晶Mg-Ni合金的储氢性能。共晶Mg-La Mg12的La含量较低,研究中通过La部分替代Ni,制备Mg98Ni2-xLax（x=0、0.33、0.67、1）合金,揭示La对亚共晶Mg-Ni合金凝固组织和储氢性能的影响。随着La含量的提高,块状La2Mg17逐步增多。Mg98Ni1.67La0.33合金的吸氢性能最优,而Mg98Ni1.33La0.67氢化物的放氢性能最优。La部分替代Ni可使Mg98Ni2-xLax合金的平衡氢压降低,有助于提高合金的储氢性能,细化的共晶组织使Mg98Ni1.33La0.67和Mg98Ni1La1氢化物的放氢起始温度明显降低。Mg98Ni2-xLax合金吸放氢后会发生分解,Mg98Ni1.67La0.33合金原位形成储氢性能优异的Mg-Mg2Ni-La Hx纳米复合材料,在325℃、3MPa氢压下和175℃、1MPa氢压下的储氢量分别为7.19wt.%和5.59wt.%,氢化和脱氢反应表观激活能分别为57.99k J/mol H2和107.26k J/mol H2。La Hx和Mg2Ni纳米相分布于共晶区域,可催化氢化反应的发生,纳米界面提供相变反应的优先形核位点。周围形成密集纳米管状结构,通过促进氢原子穿过Mg H2扩散,改善氢化反应的“阻塞效应”,提高氢化反应第一阶段的储氢量,使Mg-Mg2Ni-La Hx纳米复合材料的吸放氢动力学和储氢性能优化。为了明确初生Mg对亚共晶Mg-Ni合金储氢性能的影响机理,选定初生Mg比例较高的Mg98Ni2合金,在合金凝固过程中,引入超声波熔体处理。初生Mg形态发生球化、尺寸明显减小,同时共晶Mg-Mg2Ni显著细化,进而提高了合金的等温吸放氢速率和储氢量,且在较低温度下较为明显。由于共晶界面增多且氢原子在晶粒中扩散距离缩短,Mg98Ni2（UST）氢化物的DSC峰值放氢温度由392.99℃降低至345.56℃,脱氢反应表观激活能由101.93k J/mol H2降低至88.65k J/mol H2,氢化和脱氢反应的平衡氢压滞后程度明显减小,热力学性能有所改善。由于初生Mg的尺寸减小,氢化反应第一阶段的吸氢量升高,导致Mg98Ni2（UST）合金储氢量升高。