1.3 鎳在國民經濟中的應用

鎳及其化合物具有許多獨特的物理、化學性質，在國民經濟中得以廣泛應用，是一種極其重要的工業原料。其主要應用領域分述如下。

1.3.1 鎳在不銹鋼中的應用

鎳最重要的應用領域是不銹鋼產業，全球鎳消費量中約有50%以上用于制造不銹鋼[43-46]。不銹鋼主要有馬氏體、鐵素體和奧氏體3種型號。對于不摻雜鎳的鐵素體不銹鋼，室溫時處于體心立方晶體，而高溫時轉變成面心立方晶體，摻雜鎳之后，會使不銹鋼在室溫及低于室溫的條件下依然是面心立方晶體結構。因此，奧氏體不銹鋼其實是指向鐵素體不銹鋼中加入適量的鎳元素，使其面心立方的晶體結構穩定化。奧氏體不銹鋼中的鎳含量為8%～25%。由于鎳的存在使得奧氏體不銹鋼不僅具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性，而且韌性高、焊接性好、屈強比低，在高溫和低溫下都可以使用且在室溫下具有無磁性的奧氏體組織。此外，還有良好的力學性能和工藝性能。

奧氏體不銹鋼優異的性能，使它廣泛應用于交通、建筑、化工、食品加工等行業。不銹鋼在氧化性酸中，表面先生成一層致密的氧化膜，阻止其繼續發生反應，因此具有很好的耐蝕性，存放硫酸、硝酸、鹽酸的容器普遍使用奧氏體不銹鋼材料；奧氏體不銹鋼也常用于石油精煉的常壓蒸餾裝置、減壓蒸餾裝置、接觸分離裝置、接觸改質裝置、加氫脫硫裝置、加氫裂化裝置；以煉油廠廢氣或天然氣為原料生產乙烯、丙烯、乙炔等中間產品，進一步合成聚乙烯、聚苯乙烯、丙酮、丁二烯和各種合成樹脂等，其中使用的不銹鋼裝置，不僅要求耐高溫，還需要耐硫酸、磷酸、氫氟酸、鹽酸等的腐蝕；建筑物的給排水系統、跨海橋梁的鋼結構材料；水力發電用輪機葉片、火力發電所用煙氣脫硫系統中的噴淋管；海上石油平臺的加工設備和管道系統、生產尿素的耐蝕高壓設備。除此之外，許多醫療設備和器具，如外科手術用設備、實驗用器具、診療用設備及醫院的其他附屬設備等也使用不銹鋼材料。為了提高不銹鋼的性能，特別是提高在較強腐蝕性環境中（強酸、強堿、強氧化條件）的耐蝕性能，可通過以下兩種方法對其進行改善：一是增加鎳、鉻在不銹鋼中的質量百分比，鉻的含量可增加到25%以上，鎳的含量可達到30%左右；二是加入一定量的鉬（Mo）、銅（Cu）、硅（Si）、氮（N）、鈦（Ti）、鈮（Nb）等元素。近年來，由于鎳資源緊張導致價格上漲，不銹鋼制造廠商紛紛致力于開發新的鋼種以期節約鎳資源、降低成本。目前，主要通過增加氮（N）和錳（Mn）等元素的含量替代部分鎳元素，達到節約鎳資源的目的。

1.3.2 鎳在鎳基合金中的應用

鎳基合金是指以鎳為基體（一般鎳的質量分數≥50%），并含有可賦予合金功能特性的元素（Cr、Mo、Cu、W、Al、Ti、Si等），具有耐熱、耐蝕、耐磨、磁性、形狀記憶等特殊功能的一系列合金材料[47-53]。此類用途占全球鎳用量的20%左右。

1. 鎳基耐熱合金

鎳基耐熱合金也稱為鎳基高溫合金，是所有耐熱合金中應用最廣、耐溫強度最高的一類[54]；其在650～1000℃范圍內擁有較高的強度、優良的抗氧化和較好的抗燃氣腐蝕能力。該類合金除含鎳元素外，還含有10多種其他添加元素，如鉻（Cr）、碳（C）、硫（S），添加的元素對該合金的性能起著至關重要的作用。例如，元素Cr的加入能夠提升鎳基高溫合金的抗氧化能力及耐蝕能力；元素C、S則對鎳基高溫合金的持久性能和疲勞性能有一定的影響，但應控制其含量在一個較低水平。目前，鎳基高溫合金特別適合用于航天航空領域的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等高溫條件下工作的結構部件。例如，Inconel合金，含鎳量為80%，含鉻量為14%，其他元素的含量為6%。這類合金耐高溫，斷裂強度大，專用于制作燃氣渦輪機、噴氣發動機等。

2. 鎳基耐蝕合金

鎳基耐蝕合金的應用也比較廣泛。主要添加的合金元素是銅、鉻、鉬，以適應不同化學性質的工作環境[47-49]。其耐腐蝕性能主要得益于合金表面穩定的鈍化膜。根據合金中元素的不同，主要分為鎳銅（Ni-Cu）合金、鎳鉻（Ni-Cr）合金、鎳鉬（Ni-Mo）合金、鎳鉻鉬（Ni-Cr-Mo）合金4種，這些合金的性能和應用領域簡述如下。

1）鎳銅合金

在鎳銅合金[55-56]中，Cu的引入顯著提升了合金在還原性介質中的耐腐蝕性，使其不僅具有較好的耐氫氟酸（HF）、海水、鹽水的腐蝕及縫隙腐蝕性能，還能保持鎳基合金較好的高溫力學性能，具有易加工、無磁性等特點。蒙乃爾合金（Monel-400）是最先在工業領域應用的鎳銅基耐蝕合金，也是目前最好的耐氫氟酸腐蝕的非貴金屬材料之一。常用的鎳銅合金主要有NCu28-2.5-1.5、NCu40-2-1和NCu30-4-2-1三種，其中NCu28-2.5-1.5合金表示該合金含銅28%、鐵2.5%和錳1.5%。

2）鎳鉻合金

在鎳鉻合金中，鉻的作用是在合金表面形成一層致密的氧化膜，以提高合金在氧化性腐蝕介質如硝酸（HNO3）、鉻酸（H2CrO4）、硫酸（H2SO4）、磷酸（H3PO4）中的耐腐蝕性能，常用于制造高溫電阻、切削工具的各種防腐材料。采用噴鍍、沉積和高溫擴散等方法在鋼鐵表面形成抗腐蝕合金層，用于制作實驗室的電阻，具有保持長度、橫截面積不變、溫度越低其電阻值越大的特點。此外，鎳鉻合金也應用于真空鍍膜行業，被制成一定比例的合金靶材，作為磁控濺射鍍膜的原料。

3）鎳鉬合金

耐蝕合金材料曾經遇到的重大難題是耐鹽酸腐蝕的問題，鎳鉬合金突出的特點就是耐鹽酸腐蝕[57-60]。哈氏B系列合金是最常見的鎳鉬合金，該合金最低鉬含量為26%，具有優異的耐鹽酸腐蝕的性能，在鹽酸和其他還原性介質的環境中起著不可取代的作用。但研究發現，該合金的焊件，在焊縫及受熱區域會出現晶間腐蝕。為解決這一問題，曾通過減少合金中的含碳量和含硅量，開發出牌號為Hastelly B-2的合金，但仍存在熱穩定性不良的問題，耐溫時效出現脆性。導致出現脆性的原因是有序相Ni4Mo的析出，科學家們又通過調整合金中的鐵、鉻含量抑制Ni4Mo的析出。最終美國的Haynes公司和德國的ThyssenKrupp VDM幾乎在同時（1994年）推出了控制鐵、鉻含量的Hastelly B-3與Hastelly B-4兩個近代鎳鉬合金牌號。這兩種合金既具有Hastelly B-2合金的耐晶間腐蝕的特點，又可滿足設備制造過程中對合金熱穩定性的要求。

4）鎳鉻鉬合金

在鎳鉻合金中加入一定量的金屬鉬，可以提升鎳鉻合金在硫酸、鹽酸、磷酸及氟化氫氣體中的耐均勻腐蝕性能，并且對其在氯化鐵溶液中的耐蝕性能也有顯著提升。鎳鉻鉬合金是現代金屬材料中最耐蝕的一種合金材料，主要是哈氏C系列合金。在航海、石油化工、紙漿和造紙、環保等許多領域，鎳鉻鉬合金都有相當廣泛的應用。

3. 鎳基耐磨合金

鎳基耐磨合金的抗氧化腐蝕性能及焊接性能較好，還具備優良的耐磨性能，除Ni外，合金元素還有Cr、Mo、W，以及少量的Nb、Ta和In。另外，研究表明，碲元素對鎳基耐磨材料的性能也有一定的影響，少量碲元素的加入能夠提升合金的硬度和耐磨損性能，但要控制碲元素的含量。因為過量的碲會增加耐磨合金材料的脆性，降低合金的硬度和耐磨損能力。在空氣或者在低潤滑液體中工作的耐磨零件一般是用這種鎳基合金材料制作的，如石油化工設備、原子能設備的閥門、泵件、活塞、活塞環和密封件，以及噴氣飛機和內燃機中的制動器、挺桿、輪葉及葉片等，可通過表面處理工藝將其涂覆在需要改性的基材表面，作為表面強化材料使用。

4. 鎳基形狀記憶合金

鎳基形狀記憶合金是可在加熱升溫后能完全消除其在較低溫度下發生的變形，并恢復其變形前原始形狀的一類鎳基合金。自1963年Buehler等人[61-62]發現該類合金具有可逆馬氏體相變導致的形狀記憶效應后，激發了人們的研究熱情。對其中的鎳鈦形狀記憶合金的研究較為充分，鎳鈦形狀記憶合金的恢復溫度一般是70℃左右，形狀記憶效果良好，可以通過調節鎳鈦合金各成分的比例，改變其恢復溫度（30～100℃）。此外，鎳鈦合金還具有超彈性、抗腐蝕性、抗毒性、柔和的矯治力、良好的減振性及生物相容性等優異特性。因而，被廣泛應用于各個領域。中國的鎳鈦記憶合金的發展也很快，大量的個性化鎳鈦記憶合金產品被研制成功并得到應用，其中包括口腔正畸器材、醫療介入支架、記憶環、手機天線、縫合線、眼鏡架絲材、熱驅動元件、熱解鎖元件和釋放分離機構等。

5. 鎳基精密合金

鎳基精密合金是指具有磁學、電學、熱學等一種或多種特殊物理性能的鎳基合金。按照其物理性能主要分為鎳基磁性合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。

1）鎳基磁性合金

鎳基磁性合金按照其磁化的難易程度分為鎳基軟磁合金及鎳基硬磁合金。鎳基軟磁合金是指在弱磁場中具有較高的磁導率及較低的矯頑力的一類鎳基合金，軟磁合金容易被磁化也容易退磁。含鎳量為80%左右的鎳基軟磁合金最常用，也稱為坡莫合金，其特點是最大磁導率和初始磁導率均較高，矯頑力低，是電子工業中重要的鐵芯材料，在無線電電子工業、精密儀器儀表、遙控及自動控制系統中得到廣泛應用，同時也是能量轉換和信息處理兩大領域使用的主要材料之一。

鎳基硬磁合金是指只有在較強磁場中才能被磁化的鎳基合金，同時該合金的退磁也很難。鋁鎳鈷磁性材料是目前具有最佳溫度穩定性的硬磁材料，常用來制作各種永久性磁鐵，在醫療器械、交通運輸、儀器儀表和通信等領域應用廣泛。

2）鎳基精密電阻合金

這類鎳基合金有3個顯著特性：電阻率較高、電阻溫度系數較低和熱電動勢較小，適用于制作各種測量儀器、儀表中的精密電阻元件。

3）鎳基電熱合金

鎳基電熱合金是一種利用材料的電阻特性合成發熱元件的一類合金。其中最常用的是含鉻量為20%、含鎳量為80%的鎳鉻電熱合金，具有在高溫下強度高、可塑性好、發射率高、無磁性及較好的抗氧化、抗腐蝕性能，可在1000～1100℃高溫下持續使用，并且最高的使用溫度可達1200℃。因此，制作電阻絲時采用鎳基電熱合金制備的熱處理爐的使用溫度上限也定為1200℃。

1.3.3 鎳在表面工程技術中的應用

鎳在表面工程技術中的應用，主要是在金屬或非金屬基體材料表面形成一層性質不同的鎳覆蓋層，也稱為鎳鍍層（Nickel Coating），采用的技術為電鍍鎳或化學鍍鎳[63-68]。

1. 電鍍鎳

電鍍鎳一般包括電鍍鎳和電鑄鎳。電鍍鎳作為工業文明的重要成果，在19世紀末已成為改善金屬表面最常用的方法，重要的原因是鎳具有許多優異的性能。一方面，鎳有較高的硬度，在眾多的有色金屬中，硬度從高到低排序為鉻、鉑、銠、鎳、鈀、鈷、鐵、銅、銀、鋅、鎘、鉛、錫，而且電鍍金屬層的硬度較相應純金屬的還有所提高，這使得鎳鍍層具有良好的耐磨性。另一方面，雖然鎳的電化序位于氫之上（標準電極電位更負），但是鎳具有強烈的鈍化作用，因此，它抵抗大氣、堿和某些酸的腐蝕能力很強。同時，鎳鍍層的結晶組織極其細致，有很好的拋光性能，而且通過向鍍鎳槽中添加不同性質的光亮劑，可以直接鍍取半光亮、全光亮的鍍層。20世紀20年代，鍍鉻工藝開始廣泛應用。若在光亮鎳上鍍覆0.5～1μm的薄層裝飾性鉻，光亮鎳的鏡面底層效果和裝飾性鉻的淡藍色金屬光澤相得益彰，呈現出一種理想的、特有的鏡面金屬表面，即防護裝飾性“鎳+鉻”和“銅+鎳+鉻”鍍層，成為一個多世紀以來電鍍技術的標志性成果，廣泛應用于鋼鐵、鋅合金、銅和銅合金、鋁和鋁合金基體零件表面的精飾，在汽車、家用電器、自行車和小型機動車輛、日用五金、手工藝品等應用領域，發揮著防止金屬腐蝕和裝飾外觀的作用，是提高耐蝕能力，節約鎳資源和豐富裝飾效果的有效途徑。電鍍鎳技術還發展出高硫鎳、鎳封閉、高應力鎳、緞面鎳、黑鎳、槍黑色鎳等工藝，很好地滿足了市場不同的功能需求。目前，電鍍用鎳約占鎳總產量的10%，其中，防護裝飾性電鍍鎳約占電鍍鎳的80%，功能性電鍍鎳和電鑄鎳占20%。常用的功能性電鍍鎳主要有以下幾類：

（1）以半光亮鎳或光亮鎳作為貴金屬金、銀、鉑、鈀、釕、銠的底鍍層，該工藝兼備貴金屬特性的同時，減少貴金屬用量。此外，還可以在上述貴金屬鍍層的表面，涂覆透明的有機膜層，以提高鍍層的防變色能力。

（2）電沉積鎳鍍層作為軸系零件磨損后的修復方式。鍍層的厚度和硬度是工藝技術關注的質量指標。不同工藝的鍍鎳溶液可以提供不同硬度值的鎳鍍層，在熱鍍液中HB值（布氏硬度）為300～350；在酸性高的溶液中，HB值為300～350；在光亮鍍鎳溶液中，HB值為500～550。該項技術在機械工程中有特殊應用，它為解決中等摩擦或磨損強度的軸系和非軸系工件的缺陷修復提供了便捷、綠色、低成本、可控程度高的加工方式，常稱之為刷鍍工藝。除采用刷鍍進行零件修復之外，還可采用電鑄鎳的工藝制造、加工零部件，電鑄鎳在模具制造、電子元器件制造、印刷行業的電鑄版、唱片模具及其他模具加工制造方面發揮著獨樹一幟的作用。泡沫鎳的開發，便是成功應用鎳電鑄技術的實例。

（3）賦予基體材料以耐磨、電磁屏蔽、導電等功能特性的功能性鍍層。

（4）對或耐磨或減磨或導電或增加硬度的其他金屬或材料的微粒，采用特定工藝與鎳共沉積，形成鎳的復合鍍層。該鍍層與簡單的鎳鍍層相比，其材料性能和在特殊的工況與設備條件下的應用，可能產生意想不到的效果，其工藝措施和技術環節或許就是解決當下創新活動或智能制造瓶頸的點睛之筆。

2. 化學鍍鎳

化學鍍鎳又稱為無電解鍍鎳或自催化化學沉積鎳[69-71]。它是用次磷酸鹽還原鍍液中的鎳離子，使鎳離子在工件表面被還原后沉積的過程。其鍍層根據不同的鍍液，可以是含磷量不同的鎳磷合金。化學鍍鎳技術的發展和進步，代表了整個化學鍍的歷史，是最重要的化學鍍種。因為無須借助外部的電解，不受陰、陽極之間電場電力線分布是否均勻的限制。化學鍍鎳可以完成電沉積無法實施和工藝效果不佳的鍍鎳工程。特別對于形體特大或體積微小直至粉體（非導體或半導體）、形狀特別復雜、結構上有較多的深孔、不通孔、微孔的零件，不連貫的復雜表面，化學鍍鎳有它得天獨厚的技術優勢。因此，自從美國通用運輸公司最先于1955年建立化學鍍鎳生產線以來，在其后的幾十年間，化學鍍鎳商業化應用蓬勃發展。化學鍍鎳層在防腐、耐磨、釬焊性、電磁屏蔽等性能方面的特點和它有別于電鍍技術的工藝特性，使它在表面處理工程上備受青睞，其應用領域幾乎深入到國民經濟的各個工業部門，包括汽車、航天航空、軍事武器、機械紡織、海洋石油和采礦、電力電子、計算機、核反應堆等。涉及的零部件包括散熱器和熱交換器、過濾器、波紋管、渦輪機軸、紡織輥筒和導紗筒、泵和鼓風機外殼、傳動軸和齒輪、礦坑中的礦柱、管道和管件、球閥體和軸承、計算機機械裝置外殼、履帶式車輛部件、發射裝置、爆炸室、電子零器件、磁盤機、模具、鏈條等[68]。

進入21世紀的知識經濟時代，面對第三、第四次工業革命在IT產業、光伏產業、人工智能等新產業的技術需求，傳統的表面工程技術也將不斷面臨創新的挑戰和機遇。例如，為解決太陽能電池板、手機面板、藍寶石等一系列硬脆材料的高精度切割加工的需要，便培育和孵化了一個采用化學鍍鎳和金剛石復合鍍鎳技術的新興行業。相關企業通過生產設備的關聯創新和電子顯微鏡等智能生產技術的應用，不斷克服技術瓶頸，形成了企業的核心技術和知識產權[72-73]。

在觸屏手機、各種人工智能設備所需的智能天線和智能線路板中，這類因多種技術領域的交叉組合、推陳出新使化學鍍鎳的價值和作用得以體現的成功范例也十分常見，如通過“特種工程材料的注塑+激光刻蝕+化學鍍鎳/金”技術線路完成的智能線路板的制備加工。在微電子技術領域，由于半導體封裝小型化和高密度化的需求，電子線路高密度化日益朝著高精尖發展，在印制線路板的制作、LCR（電感-電容-電阻）元件的制作和元件與線路板的連接中，化學鍍鎳/金技術以其各種優良的性能與相關技術深度融合之后，成為創新設計的首選，并得到廣泛應用[74]。不僅如此，自IBM公司的Gutfld等人在1979年首次發現激光光照區的電沉積速度可提高近千倍以來的數十年間，此類研究層出不窮，預示著電鍍、化學鍍技術在未來的科技發展前景中與不同領域技術的交叉和聯合，將會產生極具價值的創新成果。

1.3.4 鎳在鎳系列電池中的應用

鎳及其化合物在鎘鎳電池、金屬氫化物-鎳電池、鋅鎳電池和鐵鎳等鎳系列電池中均是重要的原料。鎳的氫氧化物被用作鎳系列電池的正極活性材料；鎳與稀土金屬形成的儲氫合金材料在鎳氫電池中被用作負極活性材料；泡沫鎳、鎳纖維氈等多孔鎳金屬材料、穿孔鍍鎳鋼帶被用作正、負電極的基板，是活性物質的載體和電子集流體；鍍鎳鋼殼和鎳帶等也是電池不可或缺的附件和輔助材料。

1. 氫氧化鎳正極材料

氫氧化鎳的化學式為Ni(OH)2，分子量為92.71，屬于層狀化合物，層間有水分子和其他陰陽離子。其分子中有兩個結晶水分子，呈綠色粉末狀，可溶于酸和銨鹽溶液。加熱后分解生成暗綠色的氧化鎳（NiO），在更高溫度下可氧化成黑色的氧化高鎳（Ni2O3）。

氫氧化鎳的電化學活性高、壽命長，便于規模化生產，生產過程可控制在對環境友好的狀態。廣泛用作鎳系列電池的正極材料，其電極工作原理如（1-12）式所示[75-76]：

充電時，氫氧化鎳Ni(OH)2與氫氧根離子反應生成NiOOH，鎳離子從Ni2+轉變成Ni3+；放電時，NiOOH又轉變為Ni(OH)2，Ni3+轉變成Ni2+，整個過程不產生任何中間態的可溶性金屬離子。充/放電完全時，也沒有電解液的消耗和產生。

Ni(OH)2活性物質存在兩種晶體結構，即α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2。在電池的充/放電階段會產生新的物相β-NiOOH和γ-NiOOH。其中，α-Ni(OH)2和γ-NiOOH之間、β-Ni(OH)2和β-NiOOH之間在充/放電時基本維持可逆轉化，而α-Ni(OH)2在堿性介質中會轉化為β-NiOOH，這一過程是不可逆的。另外，β-NiOOH在過充時會轉化為不可逆的γ-NiOOH。這些不可逆過程都對電極產生劣化影響，降低電池的整體性能。

由于氫氧化鎳的導電性不佳，材料的粒子之間及粒子與集流體之間接觸電阻較大，導致電池充電時氫氧化鎳不能完全被氧化轉化成NiOOH，而放電時外層的NiOOH粒子先被還原為Ni(OH)2后，形成NiOOH/Ni(OH)2界面，類似一絕緣層，使內部的NiOOH無法充分被還原，放電后仍有較多的剩余容量。為了改善氫氧化鎳的導電性能，常采用如下方法：

（1）金屬離子的摻雜。在合成氫氧化鎳時，引入少量的鈷離子Co2+，并以Co(OH)2的形式共存于氫氧化鎳晶格中，以改善氫氧化鎳的電子導電性。

（2）在制作電極時，加入一定量的鈷粉、Co(OH)2或鎳粉作為導電劑，能夠在一定程度上提高氫氧化鎳電極性能。還可以對氫氧化鎳表面進行改性處理，例如，在其表面鍍鈷，鈷鍍層可以在充電過程中形成高導電性的CoOOH，從而有效地改善電極性能。

（3）加入石墨烯或其他導電性好的碳材料。石墨烯比表面積大，導電性優異，通過與石墨烯的復合，可以提高氫氧化鎳正極的導電性，從而改善電池的電化學性能。

2. 鎳基儲氫合金負極材料

20世紀六七十年代，科學家們通過研究發現，在一定的溫度和壓力下，一些新型合金材料能夠可逆地吸收、儲存和釋放氫氣。人們將這些合金統稱為儲氫合金（Hydrogen Storage Metal），又稱為金屬氫化物。儲氫合金是鎳氫電池的負極材料，直接影響電池性能[77-82]。其電極工作原理簡述如下：

式中，M代表儲氫合金，MH代表金屬氫化物。在充電過程中，水分子在儲氫合金負極上放電，并分解出氫原子吸附在電極表面上形成吸附態的氫，再擴散到儲氫合金內部被吸收形成氫化物MH；放電時，金屬氫化物內部的氫原子擴散到表面形成吸附態的氫原子，再與氫氧根離子發生電化學反應生成儲氫合金和水。從原理上看，儲氫合金作為氫鎳電池的負極材料，本身并沒有活性，不參與電化學反應，只是發揮其優良的儲氫功能。

1）儲氫合金的組成

儲氫合金通常由A側與B側的合金構成。A側合金一般是離子型ⅠA～ⅤB族金屬，這類合金易與氫發生反應，并且形成穩定的氫化物，該反應為放熱反應（?H<0），稱為放熱型金屬，相應的金屬元素有鈦、鋯、鈣、鎂、釩、鈮、稀土（RE）等，這些元素又稱為氫穩定因素。而B側合金一般是ⅣB～ⅧB族的過渡金屬（鈀除外），這類金屬與氫的親和力小，不生成氫化物，但氫可在其中自由移動，與氫的結合為吸熱反應（?H>0），稱為吸熱型金屬。這類金屬元素有鐵、鈷、鎳、鉻、銅、鋁等，這些元素則稱為氫不穩定因素。A側與B側合金合理的搭配，可以組成具有良好吸氫和放氫功能的儲氫合金材料。一般儲氫合金在常溫常壓下吸收氫，并形成合金氫化物，通過加熱釋放氫，而在冷卻和加壓下，重新吸氫。

2）儲氫合金的分類

儲氫合金主要有AB5、AB3、AB2、AB、A2B等類型，隨著金屬A量的增加，吸氫量也趨向增加，但增加A的量會導致電極反應速度變慢、反應溫度升高及品質易劣化等新的問題出現。在鎳基儲氫合金中，廣泛應用的有AB5、A2B、AB3型3種。

（1）AB5型儲氫合金。AB5型儲氫合金為目前鎳氫電池的通用型商業負極材料[79-82]。具有容易活化、吸放氫量較大、吸放氫過程不需要高溫高壓、對雜質不敏感等優良性能。LaNi5最具代表性，其晶體結構如圖1-5所示，屬于六方晶體結構，P6-3m空間群，其理論極限容量為372 mA·h/g。在目前的研究成果中，其放電容量基本維持在300～350 mA·h/g范圍。

（2）A2B型儲氫合金。A2B型儲氫合金中最具代表性的為Mg2Ni[83]，其晶體結構如圖1-6（a）所示，主要特點為密度較小、儲氫量大，其中理論的儲氫質量分數達71.6%。但其動力學性能及在堿性電解液中的循環壽命相對較差。目前，主要通過優化化學組成和結構及表面改性來改善其性能。

（3）AB3型儲氫合金。AB3型儲氫合金有兩種類型的晶體結構：斜方六面體的PuNi3型和密排立方的CeNi3型，如圖1-6（b）所示。AB3型儲氫合金比傳統商用AB5型儲氫合金具有更大的吸放氫容量，各國科學家對其進行了深入的研究。在研究過程中，科學家們發現，在充/放電過程中，AB3型儲氫合金其耐氧化和耐腐蝕性特別差，同時易發生粉化，以致該儲氫合金電極的循環穩定性非常差，這極大地限制了它的商業化進程。

3. 多孔鎳金屬集流體

鎳基集流體常用和曾經使用過的有泡沫鎳、燒結鎳、鎳纖維、鎳箔、穿孔鍍鎳鋼帶、鎳絲網、鎳切拉網等[84-88]。本書3.1.1節和其他章節均有描述和涉及。其中，泡沫鎳因孔隙率高達95%以上，孔徑適宜，三維通孔網絡結構對電極活性物質具有良好的承載作用，在先進二次電池中的應用備受青睞。纖維鎳在孔隙率、柔韌性、延伸性以及比表面積方面優于燒結鎳，而且在導電性和成本方面也與泡沫鎳不分上下，但是作為電極基板的綜合優勢比泡沫鎳遜色，最終被先進二次電池技術放棄。

1.3.5 鎳在工業催化中的應用

鎳作為工業催化劑，在石油化工、有機合成、電化學合成、汽車尾氣治理等領域被廣泛使用。以金屬鎳或鎳氧化物為催化活性組分的鎳基催化劑，是一種常見的經典催化劑，鎳基催化劑主要分為骨架型鎳基催化劑和負載型鎳基催化劑兩種。

1. 骨架型鎳基催化劑

骨架型鎳基催化劑是指具有多孔性骨架結構的鎳基催化劑，制備時先把具有催化活性的鎳金屬與能溶于堿的鋁、鎂、錫、鋅等金屬或硅熔融成合金，經粉碎、用堿溶解等工序使活性金屬形成多孔骨架結構。骨架型鎳基催化劑的典型代表是雷尼鎳（Raney Nickel）催化劑。雷尼鎳是由具有多孔結構且晶粒細小的鎳基合金構成的非均相催化劑。該催化劑粉末中的每個微小顆粒都是一個立體多孔結構，這種多孔結構有效地增加了材料的表面積，從而使之擁有優異的催化活性。雷尼鎳催化劑分為二元合金［如鎳鋁（Ni-Al）合金、鎳硅（Ni-Si）合金等］、三元合金［如鎳鈷硅（Ni-Co-Si）合金］、四元合金（如Ni-M1-M2-Al合金，其中M1、M2采用過渡金屬Ti、Mo、V、Mn等作為催化劑）。最常見的雷尼鎳催化劑是鎳鋁（Ni-Al）催化劑，其制備過程是用高濃度的氫氧化鈉溶液處理已合成的鎳鋁合金，大部分的鋁被強堿溶解之后形成很多微孔，經干燥活化得到雷尼鎳催化劑。

2. 負載型鎳基催化劑

負載型鎳基催化劑是指將活性金屬鎳和助劑均勻分散，并負載到選定載體上的一類催化劑。由活性金屬鎳、催化劑載體和助劑三部分組成。載體對負載型鎳基催化劑的性能起著關鍵作用。它不僅是支撐體，而且能盡量增加活性金屬鎳的分散度，使暴露在晶粒表面的鎳原子數與總量鎳的原子數之比增大，從而減少鎳的用量；載體應提供有效的表面和孔結構，可大大降低活性材料鎳的燒結和聚集的程度。負載型鎳基催化劑載體材料應具備以下特性：滿足應用和制備工況下的力學性能；足夠的熱穩定性及在催化反應過程中的物理、化學穩定性；有適宜的孔結構與高表面積；容易獲得且價格低廉。目前，載體的種類主要有氧化鐵（Fe2O3）、氧化鋁（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）、氧化鋯（ZrO2）及氧化鈰（CeO2）等氧化物。

負載型鎳基催化劑一般由浸漬法、沉淀法、離子交換法和熔融法等傳統方法合成，但是這些傳統方法往往都存在一些缺點，如會給環境造成危害。近年來，等離子體技術、微乳化法、氣相淀積法等多種負載型催化劑制備新技術引起許多研究學者的關注，取得了顯著的成果。目前，鎳基催化劑主要用于多種不飽和烴的催化加氫反應、催化重整、催化裂解和電催化析氫等反應過程。

1）催化加氫反應

催化加氫反應是指由不飽和化合物（烯烴、炔烴、腈、芳香烴）生產相應的烷烴的過程。在加氫反應中，鎳基催化劑被廣泛使用。采用鎳基催化劑進行加氫反應時甚至不需要額外加入氫氣，這是由于鎳基催化劑能夠吸附大量的氫氣，對其進行活化后即可完成加氫反應，反應后得到的是順位氫化產物。鎳基催化劑是目前應用最普遍的甲烷化催化劑[88]，例如，COx在鎳基催化劑作用下和氫氣反應生成甲烷（CH4），鎳基催化劑的甲烷化活性高（轉化率達到90%以上）、價格低廉且選擇性非常好（90%以上的選擇性）。

2）催化重整反應

催化重整反應是指在催化劑的作用下，對烴類分子結構進行重新排列形成新的分子結構的過程。鎳基催化劑在催化重整反應中表現出較好的效率，其使用也越來越廣泛。如Amin等[89]制備出一系列CeO2·9Ni/MCM-22催化劑并用于玉米芯通過CO2的重整反應制備氫氣。該催化劑的催化性能非常優異，在多種催化條件下都展現出較高的催化活性。

3）催化裂解反應

催化裂解反應是指在催化劑的作用下，對有機烴類進行高溫裂解生產乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，并同時伴隨生產輕質芳烴的過程。在使用裂解汽油生產芳烴時，由于汽油中含有大量的單烯烴及烯基芳烴等不飽和組分，因此，需經兩段加氫裂解工藝后才能作為芳烴抽取的原料。鎳基催化劑在一段加氫過程中具有更加優異的抗砷、耐膠質能力，因此得到廣泛的應用，近年來國內鎳基催化劑市場占有率迅速提高。

4）電催化析氫反應

隨著環境污染日益嚴重，能源供應日益緊張，清潔高效的新能源開發已成為世界性的難題。其中，氫能被認為是21世紀最清潔的新能源，能夠有效緩解人類目前面臨的能源危機，因此制氫技術的研究頗受關注。鎳基催化劑在電催化制氫方面的成果，已被廣泛應用于硼烷銨（NH3BH3）水解制氫、硼氫化鈉（NaBH4）水解制氫、直接電解水制氫等領域，技術上取得很大進步。