1.3 镍在国民经济中的应用

镍及其化合物具有许多独特的物理、化学性质，在国民经济中得以广泛应用，是一种极其重要的工业原料。其主要应用领域分述如下。

1.3.1 镍在不锈钢中的应用

镍最重要的应用领域是不锈钢产业，全球镍消费量中约有50%以上用于制造不锈钢[43-46]。不锈钢主要有马氏体、铁素体和奥氏体3种型号。对于不掺杂镍的铁素体不锈钢，室温时处于体心立方晶体，而高温时转变成面心立方晶体，掺杂镍之后，会使不锈钢在室温及低于室温的条件下依然是面心立方晶体结构。因此，奥氏体不锈钢其实是指向铁素体不锈钢中加入适量的镍元素，使其面心立方的晶体结构稳定化。奥氏体不锈钢中的镍含量为8%～25%。由于镍的存在使得奥氏体不锈钢不仅具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，而且韧性高、焊接性好、屈强比低，在高温和低温下都可以使用且在室温下具有无磁性的奥氏体组织。此外，还有良好的力学性能和工艺性能。

奥氏体不锈钢优异的性能，使它广泛应用于交通、建筑、化工、食品加工等行业。不锈钢在氧化性酸中，表面先生成一层致密的氧化膜，阻止其继续发生反应，因此具有很好的耐蚀性，存放硫酸、硝酸、盐酸的容器普遍使用奥氏体不锈钢材料；奥氏体不锈钢也常用于石油精炼的常压蒸馏装置、减压蒸馏装置、接触分离装置、接触改质装置、加氢脱硫装置、加氢裂化装置；以炼油厂废气或天然气为原料生产乙烯、丙烯、乙炔等中间产品，进一步合成聚乙烯、聚苯乙烯、丙酮、丁二烯和各种合成树脂等，其中使用的不锈钢装置，不仅要求耐高温，还需要耐硫酸、磷酸、氢氟酸、盐酸等的腐蚀；建筑物的给排水系统、跨海桥梁的钢结构材料；水力发电用轮机叶片、火力发电所用烟气脱硫系统中的喷淋管；海上石油平台的加工设备和管道系统、生产尿素的耐蚀高压设备。除此之外，许多医疗设备和器具，如外科手术用设备、实验用器具、诊疗用设备及医院的其他附属设备等也使用不锈钢材料。为了提高不锈钢的性能，特别是提高在较强腐蚀性环境中（强酸、强碱、强氧化条件）的耐蚀性能，可通过以下两种方法对其进行改善：一是增加镍、铬在不锈钢中的质量百分比，铬的含量可增加到25%以上，镍的含量可达到30%左右；二是加入一定量的钼（Mo）、铜（Cu）、硅（Si）、氮（N）、钛（Ti）、铌（Nb）等元素。近年来，由于镍资源紧张导致价格上涨，不锈钢制造厂商纷纷致力于开发新的钢种以期节约镍资源、降低成本。目前，主要通过增加氮（N）和锰（Mn）等元素的含量替代部分镍元素，达到节约镍资源的目的。

1.3.2 镍在镍基合金中的应用

镍基合金是指以镍为基体（一般镍的质量分数≥50%），并含有可赋予合金功能特性的元素（Cr、Mo、Cu、W、Al、Ti、Si等），具有耐热、耐蚀、耐磨、磁性、形状记忆等特殊功能的一系列合金材料[47-53]。此类用途占全球镍用量的20%左右。

1．镍基耐热合金

镍基耐热合金也称为镍基高温合金，是所有耐热合金中应用最广、耐温强度最高的一类[54]；其在650～1000℃范围内拥有较高的强度、优良的抗氧化和较好的抗燃气腐蚀能力。该类合金除含镍元素外，还含有10多种其他添加元素，如铬（Cr）、碳（C）、硫（S），添加的元素对该合金的性能起着至关重要的作用。例如，元素Cr的加入能够提升镍基高温合金的抗氧化能力及耐蚀能力；元素C、S则对镍基高温合金的持久性能和疲劳性能有一定的影响，但应控制其含量在一个较低水平。目前，镍基高温合金特别适合用于航天航空领域的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等高温条件下工作的结构部件。例如，Inconel合金，含镍量为80%，含铬量为14%，其他元素的含量为6%。这类合金耐高温，断裂强度大，专用于制作燃气涡轮机、喷气发动机等。

2．镍基耐蚀合金

镍基耐蚀合金的应用也比较广泛。主要添加的合金元素是铜、铬、钼，以适应不同化学性质的工作环境[47-49]。其耐腐蚀性能主要得益于合金表面稳定的钝化膜。根据合金中元素的不同，主要分为镍铜（Ni-Cu）合金、镍铬（Ni-Cr）合金、镍钼（Ni-Mo）合金、镍铬钼（Ni-Cr-Mo）合金4种，这些合金的性能和应用领域简述如下。

1）镍铜合金

在镍铜合金[55-56]中，Cu的引入显著提升了合金在还原性介质中的耐腐蚀性，使其不仅具有较好的耐氢氟酸（HF）、海水、盐水的腐蚀及缝隙腐蚀性能，还能保持镍基合金较好的高温力学性能，具有易加工、无磁性等特点。蒙乃尔合金（Monel-400）是最先在工业领域应用的镍铜基耐蚀合金，也是目前最好的耐氢氟酸腐蚀的非贵金属材料之一。常用的镍铜合金主要有NCu28-2.5-1.5、NCu40-2-1和NCu30-4-2-1三种，其中NCu28-2.5-1.5合金表示该合金含铜28%、铁2.5%和锰1.5%。

2）镍铬合金

在镍铬合金中，铬的作用是在合金表面形成一层致密的氧化膜，以提高合金在氧化性腐蚀介质如硝酸（HNO₃）、铬酸（H₂CrO₄）、硫酸（H₂SO₄）、磷酸（H₃PO₄）中的耐腐蚀性能，常用于制造高温电阻、切削工具的各种防腐材料。采用喷镀、沉积和高温扩散等方法在钢铁表面形成抗腐蚀合金层，用于制作实验室的电阻，具有保持长度、横截面积不变、温度越低其电阻值越大的特点。此外，镍铬合金也应用于真空镀膜行业，被制成一定比例的合金靶材，作为磁控溅射镀膜的原料。

3）镍钼合金

耐蚀合金材料曾经遇到的重大难题是耐盐酸腐蚀的问题，镍钼合金突出的特点就是耐盐酸腐蚀[57-60]。哈氏B系列合金是最常见的镍钼合金，该合金最低钼含量为26%，具有优异的耐盐酸腐蚀的性能，在盐酸和其他还原性介质的环境中起着不可取代的作用。但研究发现，该合金的焊件，在焊缝及受热区域会出现晶间腐蚀。为解决这一问题，曾通过减少合金中的含碳量和含硅量，开发出牌号为Hastelly B-2的合金，但仍存在热稳定性不良的问题，耐温时效出现脆性。导致出现脆性的原因是有序相Ni₄Mo的析出，科学家们又通过调整合金中的铁、铬含量抑制Ni₄Mo的析出。最终美国的Haynes公司和德国的ThyssenKrupp VDM几乎在同时（1994年）推出了控制铁、铬含量的Hastelly B-3与Hastelly B-4两个近代镍钼合金牌号。这两种合金既具有Hastelly B-2合金的耐晶间腐蚀的特点，又可满足设备制造过程中对合金热稳定性的要求。

4）镍铬钼合金

在镍铬合金中加入一定量的金属钼，可以提升镍铬合金在硫酸、盐酸、磷酸及氟化氢气体中的耐均匀腐蚀性能，并且对其在氯化铁溶液中的耐蚀性能也有显著提升。镍铬钼合金是现代金属材料中最耐蚀的一种合金材料，主要是哈氏C系列合金。在航海、石油化工、纸浆和造纸、环保等许多领域，镍铬钼合金都有相当广泛的应用。

3．镍基耐磨合金

镍基耐磨合金的抗氧化腐蚀性能及焊接性能较好，还具备优良的耐磨性能，除Ni外，合金元素还有Cr、Mo、W，以及少量的Nb、Ta和In。另外，研究表明，碲元素对镍基耐磨材料的性能也有一定的影响，少量碲元素的加入能够提升合金的硬度和耐磨损性能，但要控制碲元素的含量。因为过量的碲会增加耐磨合金材料的脆性，降低合金的硬度和耐磨损能力。在空气或者在低润滑液体中工作的耐磨零件一般是用这种镍基合金材料制作的，如石油化工设备、原子能设备的阀门、泵件、活塞、活塞环和密封件，以及喷气飞机和内燃机中的制动器、挺杆、轮叶及叶片等，可通过表面处理工艺将其涂覆在需要改性的基材表面，作为表面强化材料使用。

4．镍基形状记忆合金

镍基形状记忆合金是可在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的变形，并恢复其变形前原始形状的一类镍基合金。自1963年Buehler等人[61-62]发现该类合金具有可逆马氏体相变导致的形状记忆效应后，激发了人们的研究热情。对其中的镍钛形状记忆合金的研究较为充分，镍钛形状记忆合金的恢复温度一般是70℃左右，形状记忆效果良好，可以通过调节镍钛合金各成分的比例，改变其恢复温度（30～100℃）。此外，镍钛合金还具有超弹性、抗腐蚀性、抗毒性、柔和的矫治力、良好的减振性及生物相容性等优异特性。因而，被广泛应用于各个领域。中国的镍钛记忆合金的发展也很快，大量的个性化镍钛记忆合金产品被研制成功并得到应用，其中包括口腔正畸器材、医疗介入支架、记忆环、手机天线、缝合线、眼镜架丝材、热驱动元件、热解锁元件和释放分离机构等。

5．镍基精密合金

镍基精密合金是指具有磁学、电学、热学等一种或多种特殊物理性能的镍基合金。按照其物理性能主要分为镍基磁性合金、镍基精密电阻合金和镍基电热合金等。

1）镍基磁性合金

镍基磁性合金按照其磁化的难易程度分为镍基软磁合金及镍基硬磁合金。镍基软磁合金是指在弱磁场中具有较高的磁导率及较低的矫顽力的一类镍基合金，软磁合金容易被磁化也容易退磁。含镍量为80%左右的镍基软磁合金最常用，也称为坡莫合金，其特点是最大磁导率和初始磁导率均较高，矫顽力低，是电子工业中重要的铁芯材料，在无线电电子工业、精密仪器仪表、遥控及自动控制系统中得到广泛应用，同时也是能量转换和信息处理两大领域使用的主要材料之一。

镍基硬磁合金是指只有在较强磁场中才能被磁化的镍基合金，同时该合金的退磁也很难。铝镍钴磁性材料是目前具有最佳温度稳定性的硬磁材料，常用来制作各种永久性磁铁，在医疗器械、交通运输、仪器仪表和通信等领域应用广泛。

2）镍基精密电阻合金

这类镍基合金有3个显著特性：电阻率较高、电阻温度系数较低和热电动势较小，适用于制作各种测量仪器、仪表中的精密电阻元件。

3）镍基电热合金

镍基电热合金是一种利用材料的电阻特性合成发热元件的一类合金。其中最常用的是含铬量为20%、含镍量为80%的镍铬电热合金，具有在高温下强度高、可塑性好、发射率高、无磁性及较好的抗氧化、抗腐蚀性能，可在1000～1100℃高温下持续使用，并且最高的使用温度可达1200℃。因此，制作电阻丝时采用镍基电热合金制备的热处理炉的使用温度上限也定为1200℃。

1.3.3 镍在表面工程技术中的应用

镍在表面工程技术中的应用，主要是在金属或非金属基体材料表面形成一层性质不同的镍覆盖层，也称为镍镀层（Nickel Coating），采用的技术为电镀镍或化学镀镍[63-68]。

1．电镀镍

电镀镍一般包括电镀镍和电铸镍。电镀镍作为工业文明的重要成果，在19世纪末已成为改善金属表面最常用的方法，重要的原因是镍具有许多优异的性能。一方面，镍有较高的硬度，在众多的有色金属中，硬度从高到低排序为铬、铂、铑、镍、钯、钴、铁、铜、银、锌、镉、铅、锡，而且电镀金属层的硬度较相应纯金属的还有所提高，这使得镍镀层具有良好的耐磨性。另一方面，虽然镍的电化序位于氢之上（标准电极电位更负），但是镍具有强烈的钝化作用，因此，它抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀能力很强。同时，镍镀层的结晶组织极其细致，有很好的抛光性能，而且通过向镀镍槽中添加不同性质的光亮剂，可以直接镀取半光亮、全光亮的镀层。20世纪20年代，镀铬工艺开始广泛应用。若在光亮镍上镀覆0.5～1μm的薄层装饰性铬，光亮镍的镜面底层效果和装饰性铬的淡蓝色金属光泽相得益彰，呈现出一种理想的、特有的镜面金属表面，即防护装饰性“镍+铬”和“铜+镍+铬”镀层，成为一个多世纪以来电镀技术的标志性成果，广泛应用于钢铁、锌合金、铜和铜合金、铝和铝合金基体零件表面的精饰，在汽车、家用电器、自行车和小型机动车辆、日用五金、手工艺品等应用领域，发挥着防止金属腐蚀和装饰外观的作用，是提高耐蚀能力，节约镍资源和丰富装饰效果的有效途径。电镀镍技术还发展出高硫镍、镍封闭、高应力镍、缎面镍、黑镍、枪黑色镍等工艺，很好地满足了市场不同的功能需求。目前，电镀用镍约占镍总产量的10%，其中，防护装饰性电镀镍约占电镀镍的80%，功能性电镀镍和电铸镍占20%。常用的功能性电镀镍主要有以下几类：

（1）以半光亮镍或光亮镍作为贵金属金、银、铂、钯、钌、铑的底镀层，该工艺兼备贵金属特性的同时，减少贵金属用量。此外，还可以在上述贵金属镀层的表面，涂覆透明的有机膜层，以提高镀层的防变色能力。

（2）电沉积镍镀层作为轴系零件磨损后的修复方式。镀层的厚度和硬度是工艺技术关注的质量指标。不同工艺的镀镍溶液可以提供不同硬度值的镍镀层，在热镀液中HB值（布氏硬度）为300～350；在酸性高的溶液中，HB值为300～350；在光亮镀镍溶液中，HB值为500～550。该项技术在机械工程中有特殊应用，它为解决中等摩擦或磨损强度的轴系和非轴系工件的缺陷修复提供了便捷、绿色、低成本、可控程度高的加工方式，常称之为刷镀工艺。除采用刷镀进行零件修复之外，还可采用电铸镍的工艺制造、加工零部件，电铸镍在模具制造、电子元器件制造、印刷行业的电铸版、唱片模具及其他模具加工制造方面发挥着独树一帜的作用。泡沫镍的开发，便是成功应用镍电铸技术的实例。

（3）赋予基体材料以耐磨、电磁屏蔽、导电等功能特性的功能性镀层。

（4）对或耐磨或减磨或导电或增加硬度的其他金属或材料的微粒，采用特定工艺与镍共沉积，形成镍的复合镀层。该镀层与简单的镍镀层相比，其材料性能和在特殊的工况与设备条件下的应用，可能产生意想不到的效果，其工艺措施和技术环节或许就是解决当下创新活动或智能制造瓶颈的点睛之笔。

2．化学镀镍

化学镀镍又称为无电解镀镍或自催化化学沉积镍[69-71]。它是用次磷酸盐还原镀液中的镍离子，使镍离子在工件表面被还原后沉积的过程。其镀层根据不同的镀液，可以是含磷量不同的镍磷合金。化学镀镍技术的发展和进步，代表了整个化学镀的历史，是最重要的化学镀种。因为无须借助外部的电解，不受阴、阳极之间电场电力线分布是否均匀的限制。化学镀镍可以完成电沉积无法实施和工艺效果不佳的镀镍工程。特别对于形体特大或体积微小直至粉体（非导体或半导体）、形状特别复杂、结构上有较多的深孔、不通孔、微孔的零件，不连贯的复杂表面，化学镀镍有它得天独厚的技术优势。因此，自从美国通用运输公司最先于1955年建立化学镀镍生产线以来，在其后的几十年间，化学镀镍商业化应用蓬勃发展。化学镀镍层在防腐、耐磨、钎焊性、电磁屏蔽等性能方面的特点和它有别于电镀技术的工艺特性，使它在表面处理工程上备受青睐，其应用领域几乎深入到国民经济的各个工业部门，包括汽车、航天航空、军事武器、机械纺织、海洋石油和采矿、电力电子、计算机、核反应堆等。涉及的零部件包括散热器和热交换器、过滤器、波纹管、涡轮机轴、纺织辊筒和导纱筒、泵和鼓风机外壳、传动轴和齿轮、矿坑中的矿柱、管道和管件、球阀体和轴承、计算机机械装置外壳、履带式车辆部件、发射装置、爆炸室、电子零器件、磁盘机、模具、链条等[68]。

进入21世纪的知识经济时代，面对第三、第四次工业革命在IT产业、光伏产业、人工智能等新产业的技术需求，传统的表面工程技术也将不断面临创新的挑战和机遇。例如，为解决太阳能电池板、手机面板、蓝宝石等一系列硬脆材料的高精度切割加工的需要，便培育和孵化了一个采用化学镀镍和金刚石复合镀镍技术的新兴行业。相关企业通过生产设备的关联创新和电子显微镜等智能生产技术的应用，不断克服技术瓶颈，形成了企业的核心技术和知识产权[72-73]。

在触屏手机、各种人工智能设备所需的智能天线和智能线路板中，这类因多种技术领域的交叉组合、推陈出新使化学镀镍的价值和作用得以体现的成功范例也十分常见，如通过“特种工程材料的注塑+激光刻蚀+化学镀镍/金”技术线路完成的智能线路板的制备加工。在微电子技术领域，由于半导体封装小型化和高密度化的需求，电子线路高密度化日益朝着高精尖发展，在印制线路板的制作、LCR（电感-电容-电阻）元件的制作和元件与线路板的连接中，化学镀镍/金技术以其各种优良的性能与相关技术深度融合之后，成为创新设计的首选，并得到广泛应用[74]。不仅如此，自IBM公司的Gutfld等人在1979年首次发现激光光照区的电沉积速度可提高近千倍以来的数十年间，此类研究层出不穷，预示着电镀、化学镀技术在未来的科技发展前景中与不同领域技术的交叉和联合，将会产生极具价值的创新成果。

1.3.4 镍在镍系列电池中的应用

镍及其化合物在镉镍电池、金属氢化物-镍电池、锌镍电池和铁镍等镍系列电池中均是重要的原料。镍的氢氧化物被用作镍系列电池的正极活性材料；镍与稀土金属形成的储氢合金材料在镍氢电池中被用作负极活性材料；泡沫镍、镍纤维毡等多孔镍金属材料、穿孔镀镍钢带被用作正、负电极的基板，是活性物质的载体和电子集流体；镀镍钢壳和镍带等也是电池不可或缺的附件和辅助材料。

1．氢氧化镍正极材料

氢氧化镍的化学式为Ni（OH）₂，分子量为92.71，属于层状化合物，层间有水分子和其他阴阳离子。其分子中有两个结晶水分子，呈绿色粉末状，可溶于酸和铵盐溶液。加热后分解生成暗绿色的氧化镍（NiO），在更高温度下可氧化成黑色的氧化高镍（Ni₂O₃）。

氢氧化镍的电化学活性高、寿命长，便于规模化生产，生产过程可控制在对环境友好的状态。广泛用作镍系列电池的正极材料，其电极工作原理如（1-12）式所示[75-76]：

充电时，氢氧化镍Ni（OH）₂与氢氧根离子反应生成NiOOH，镍离子从Ni2+转变成Ni3+；放电时，NiOOH又转变为Ni（OH）₂，Ni3+转变成Ni2+，整个过程不产生任何中间态的可溶性金属离子。充/放电完全时，也没有电解液的消耗和产生。

Ni（OH）₂活性物质存在两种晶体结构，即α-Ni（OH）₂和β-Ni（OH）₂。在电池的充/放电阶段会产生新的物相β-NiOOH和γ-NiOOH。其中，α-Ni（OH）₂和γ-NiOOH之间、β-Ni（OH）₂和β-NiOOH之间在充/放电时基本维持可逆转化，而α-Ni（OH）₂在碱性介质中会转化为β-NiOOH，这一过程是不可逆的。另外，β-NiOOH在过充时会转化为不可逆的γ-NiOOH。这些不可逆过程都对电极产生劣化影响，降低电池的整体性能。

由于氢氧化镍的导电性不佳，材料的粒子之间及粒子与集流体之间接触电阻较大，导致电池充电时氢氧化镍不能完全被氧化转化成NiOOH，而放电时外层的NiOOH粒子先被还原为Ni（OH）₂后，形成NiOOH/Ni（OH）₂界面，类似一绝缘层，使内部的NiOOH无法充分被还原，放电后仍有较多的剩余容量。为了改善氢氧化镍的导电性能，常采用如下方法：

（1）金属离子的掺杂。在合成氢氧化镍时，引入少量的钴离子Co2+，并以Co（OH）₂的形式共存于氢氧化镍晶格中，以改善氢氧化镍的电子导电性。

（2）在制作电极时，加入一定量的钴粉、Co（OH）₂或镍粉作为导电剂，能够在一定程度上提高氢氧化镍电极性能。还可以对氢氧化镍表面进行改性处理，例如，在其表面镀钴，钴镀层可以在充电过程中形成高导电性的CoOOH，从而有效地改善电极性能。

（3）加入石墨烯或其他导电性好的碳材料。石墨烯比表面积大，导电性优异，通过与石墨烯的复合，可以提高氢氧化镍正极的导电性，从而改善电池的电化学性能。

2．镍基储氢合金负极材料

20世纪六七十年代，科学家们通过研究发现，在一定的温度和压力下，一些新型合金材料能够可逆地吸收、储存和释放氢气。人们将这些合金统称为储氢合金（Hydrogen Storage Metal），又称为金属氢化物。储氢合金是镍氢电池的负极材料，直接影响电池性能[77-82]。其电极工作原理简述如下：

式中，M代表储氢合金，MH代表金属氢化物。在充电过程中，水分子在储氢合金负极上放电，并分解出氢原子吸附在电极表面上形成吸附态的氢，再扩散到储氢合金内部被吸收形成氢化物MH；放电时，金属氢化物内部的氢原子扩散到表面形成吸附态的氢原子，再与氢氧根离子发生电化学反应生成储氢合金和水。从原理上看，储氢合金作为氢镍电池的负极材料，本身并没有活性，不参与电化学反应，只是发挥其优良的储氢功能。

1）储氢合金的组成

储氢合金通常由A侧与B侧的合金构成。A侧合金一般是离子型ⅠA～ⅤB族金属，这类合金易与氢发生反应，并且形成稳定的氢化物，该反应为放热反应（ΔH＜0），称为放热型金属，相应的金属元素有钛、锆、钙、镁、钒、铌、稀土（RE）等，这些元素又称为氢稳定因素。而B侧合金一般是ⅣB～ⅧB族的过渡金属（钯除外），这类金属与氢的亲和力小，不生成氢化物，但氢可在其中自由移动，与氢的结合为吸热反应（ΔH＞0），称为吸热型金属。这类金属元素有铁、钴、镍、铬、铜、铝等，这些元素则称为氢不稳定因素。A侧与B侧合金合理的搭配，可以组成具有良好吸氢和放氢功能的储氢合金材料。一般储氢合金在常温常压下吸收氢，并形成合金氢化物，通过加热释放氢，而在冷却和加压下，重新吸氢。

2）储氢合金的分类

储氢合金主要有AB₅、AB₃、AB₂、AB、A₂B等类型，随着金属A量的增加，吸氢量也趋向增加，但增加A的量会导致电极反应速度变慢、反应温度升高及品质易劣化等新的问题出现。在镍基储氢合金中，广泛应用的有AB₅、A₂B、AB₃型3种。

（1）AB₅型储氢合金。AB₅型储氢合金为目前镍氢电池的通用型商业负极材料[79-82]。具有容易活化、吸放氢量较大、吸放氢过程不需要高温高压、对杂质不敏感等优良性能。LaNi₅最具代表性，其晶体结构如图1-5所示，属于六方晶体结构，P6-3m空间群，其理论极限容量为372mA·h/g。在目前的研究成果中，其放电容量基本维持在300～350mA·h/g范围。

（2）A₂B型储氢合金。A₂B型储氢合金中最具代表性的为Mg₂Ni[83]，其晶体结构如图1-6（a）所示，主要特点为密度较小、储氢量大，其中理论的储氢质量分数达71.6%。但其动力学性能及在碱性电解液中的循环寿命相对较差。目前，主要通过优化化学组成和结构及表面改性来改善其性能。

（3）AB₃型储氢合金。AB₃型储氢合金有两种类型的晶体结构：斜方六面体的PuNi₃型和密排立方的CeNi₃型，如图1-6（b）所示。AB₃型储氢合金比传统商用AB₅型储氢合金具有更大的吸放氢容量，各国科学家对其进行了深入的研究。在研究过程中，科学家们发现，在充/放电过程中，AB₃型储氢合金其耐氧化和耐腐蚀性特别差，同时易发生粉化，以致该储氢合金电极的循环稳定性非常差，这极大地限制了它的商业化进程。

3．多孔镍金属集流体

镍基集流体常用和曾经使用过的有泡沫镍、烧结镍、镍纤维、镍箔、穿孔镀镍钢带、镍丝网、镍切拉网等[84-88]。本书3.1.1节和其他章节均有描述和涉及。其中，泡沫镍因孔隙率高达95%以上，孔径适宜，三维通孔网络结构对电极活性物质具有良好的承载作用，在先进二次电池中的应用备受青睐。纤维镍在孔隙率、柔韧性、延伸性以及比表面积方面优于烧结镍，而且在导电性和成本方面也与泡沫镍不分上下，但是作为电极基板的综合优势比泡沫镍逊色，最终被先进二次电池技术放弃。

1.3.5 镍在工业催化中的应用

镍作为工业催化剂，在石油化工、有机合成、电化学合成、汽车尾气治理等领域被广泛使用。以金属镍或镍氧化物为催化活性组分的镍基催化剂，是一种常见的经典催化剂，镍基催化剂主要分为骨架型镍基催化剂和负载型镍基催化剂两种。

1．骨架型镍基催化剂

骨架型镍基催化剂是指具有多孔性骨架结构的镍基催化剂，制备时先把具有催化活性的镍金属与能溶于碱的铝、镁、锡、锌等金属或硅熔融成合金，经粉碎、用碱溶解等工序使活性金属形成多孔骨架结构。骨架型镍基催化剂的典型代表是雷尼镍（Raney Nickel）催化剂。雷尼镍是由具有多孔结构且晶粒细小的镍基合金构成的非均相催化剂。该催化剂粉末中的每个微小颗粒都是一个立体多孔结构，这种多孔结构有效地增加了材料的表面积，从而使之拥有优异的催化活性。雷尼镍催化剂分为二元合金[如镍铝（Ni-Al）合金、镍硅（Ni-Si）合金等]、三元合金[如镍钴硅（Ni-Co-Si）合金]、四元合金（如Ni-M₁-M₂-Al合金，其中M₁、M₂采用过渡金属Ti、Mo、V、Mn等作为催化剂）。最常见的雷尼镍催化剂是镍铝（Ni-Al）催化剂，其制备过程是用高浓度的氢氧化钠溶液处理已合成的镍铝合金，大部分的铝被强碱溶解之后形成很多微孔，经干燥活化得到雷尼镍催化剂。

2．负载型镍基催化剂

负载型镍基催化剂是指将活性金属镍和助剂均匀分散，并负载到选定载体上的一类催化剂。由活性金属镍、催化剂载体和助剂三部分组成。载体对负载型镍基催化剂的性能起着关键作用。它不仅是支撑体，而且能尽量增加活性金属镍的分散度，使暴露在晶粒表面的镍原子数与总量镍的原子数之比增大，从而减少镍的用量；载体应提供有效的表面和孔结构，可大大降低活性材料镍的烧结和聚集的程度。负载型镍基催化剂载体材料应具备以下特性：满足应用和制备工况下的力学性能；足够的热稳定性及在催化反应过程中的物理、化学稳定性；有适宜的孔结构与高表面积；容易获得且价格低廉。目前，载体的种类主要有氧化铁（Fe₂O₃）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化硅（SiO₂）、氧化镁（MgO）、氧化锆（ZrO₂）及氧化铈（CeO₂）等氧化物。

负载型镍基催化剂一般由浸渍法、沉淀法、离子交换法和熔融法等传统方法合成，但是这些传统方法往往都存在一些缺点，如会给环境造成危害。近年来，等离子体技术、微乳化法、气相淀积法等多种负载型催化剂制备新技术引起许多研究学者的关注，取得了显著的成果。目前，镍基催化剂主要用于多种不饱和烃的催化加氢反应、催化重整、催化裂解和电催化析氢等反应过程。

1）催化加氢反应

催化加氢反应是指由不饱和化合物（烯烃、炔烃、腈、芳香烃）生产相应的烷烃的过程。在加氢反应中，镍基催化剂被广泛使用。采用镍基催化剂进行加氢反应时甚至不需要额外加入氢气，这是由于镍基催化剂能够吸附大量的氢气，对其进行活化后即可完成加氢反应，反应后得到的是顺位氢化产物。镍基催化剂是目前应用最普遍的甲烷化催化剂[88]，例如，CO_x在镍基催化剂作用下和氢气反应生成甲烷（CH₄），镍基催化剂的甲烷化活性高（转化率达到90%以上）、价格低廉且选择性非常好（90%以上的选择性）。

2）催化重整反应

催化重整反应是指在催化剂的作用下，对烃类分子结构进行重新排列形成新的分子结构的过程。镍基催化剂在催化重整反应中表现出较好的效率，其使用也越来越广泛。如Amin等[89]制备出一系列CeO₂·9Ni/MCM-22催化剂并用于玉米芯通过CO₂的重整反应制备氢气。该催化剂的催化性能非常优异，在多种催化条件下都展现出较高的催化活性。

3）催化裂解反应

催化裂解反应是指在催化剂的作用下，对有机烃类进行高温裂解生产乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃，并同时伴随生产轻质芳烃的过程。在使用裂解汽油生产芳烃时，由于汽油中含有大量的单烯烃及烯基芳烃等不饱和组分，因此，需经两段加氢裂解工艺后才能作为芳烃抽取的原料。镍基催化剂在一段加氢过程中具有更加优异的抗砷、耐胶质能力，因此得到广泛的应用，近年来国内镍基催化剂市场占有率迅速提高。

4）电催化析氢反应

随着环境污染日益严重，能源供应日益紧张，清洁高效的新能源开发已成为世界性的难题。其中，氢能被认为是21世纪最清洁的新能源，能够有效缓解人类目前面临的能源危机，因此制氢技术的研究颇受关注。镍基催化剂在电催化制氢方面的成果，已被广泛应用于硼烷铵（NH₃BH₃）水解制氢、硼氢化钠（NaBH₄）水解制氢、直接电解水制氢等领域，技术上取得很大进步。