alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/10.15518/isjaee.2017.16-18.089-103alternative-1089Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYГИБРИДНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ С ОПТИМАЛЬНОЙ ДЕФЕКТНОСТЬЮ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА В ГИДРИДНОЙ ФОРМЕHYBRID FUNCTIONAL MATERIALS FORMING THE METAL STRUCTURE WITH OPTIMAL IMPERFECTION FOR STORAGE OF HYDROGEN IN HYDRIDE FORMЗвягинцеваА. В.ZvyagintsevaA. V.

Звягинцева Алла Витальевна - кандидат технических наук, доцент кафедры химии ВГТУ.

д. 14, Московский пр., Воронеж, 394026.

Alla Zvyagintseva - Ph.D. (engineering), Associate Professor, Department of Chemistry of the Faculty of Radio Engineering and Electronics, Voronezh State Technical University.

14 Moscow ave., Voronezh, 394026.

zvygincevaav@mail.ruВоронежский государственный технический университет.РоссияVoronezh State Technical University.Russian Federation201713092017016-1889103Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1089

В данной статье исследовались образцы композитов Ni-B и Ni-In в форме плёнок, синтезированные электрохимическим методом и обладающие повышенной степенью дефектности. Продемонстрированы электро-химические процессы их получения, в которых приведены экспериментальные данные о влиянии легирующих добавок бора и индия на водородную проницаемость синтезированных электрохимических комплексов на основе никеля Nix-By-Hz и Nix-Iny-Hz. Показано, что путём создания ловушек (структурных, примесных) для водорода за счёт введения дополнительных элементов в структуру металла или изменения структуры (интерметаллиды), а также с помощью других методов можно изменить водородную растворимость металла в большую или меньшую сторону в зависимости от технических требований. Образцы Ni-B были получены в сульфаматном электролите никелирования с применением бор-соединений класса высших полиэдрических боратов Na2B10H10. Установлено, что использование нанообразующих добавок бора обеспечивает измеренное содержание водорода в образцах Nix-By-Hz порядка 600 см3/100 г. Никель-индиевые композиты были получены электролитическим осаждением на подложки из меди с составом электролита: NiSO4 · 7H2O = 140 г/л; Na2SO4 · 10H2O = 20 г/л; и In2(SO4)3, концентрация которого изменялась от 1 г/л до 12 г/л. Варьирование количества In2(SO4)3 обеспечивало получение композитов Ni–In с различным соотношением компонентов. Полученные данные позволили выбрать оптимальный режим нанесения гальванических покрытий Ni-In в электролите In2(SO4)3. Для определения влияния каждого из параметров электроосаждения на свойства образцов варьировался только один параметр: либо плотность катодного тока, либо концентрация индия в электролите. Синтезированы и исследованы образцы разных концентраций In. Определен их фазовый состав. Рентгенофазовый анализ выявил в композитах Ni-In, синтезированных из электролитов с концентрацией In2(SO4)3 более 2 г/л, фазу, соответствующую интерметаллиду η-In27Ni10. Впервые в практике изучения сорбции электрохимические композиты Nix-Iny, включая последующую термодесорбцию водорода, исследовались с помощью имплантации дейтерия в образцы. Демонстрировались спектры термодесорбции дейтерия из композитов Ni70In30Dx, позволившие выделить температурные диапазоны десорбции ионно-имплантированного дейтерия в зависимости от дозы имплантации. Подтвержд ено, что получен композит Ni70In30, способный удерживать допированный дейтерий (водород). Показ ано, что допустимо получение образцов композита Nix-Iny-Dz с содержанием дейтерия до 2 ат. D/ат. Мет, что соответствует 5,3 мас. % (для композитов данного состава).

The paper investigates the samples of Ni-B and Ni-In composites in the form of films synthesized by an electrochemical method having a high degree of defectiveness and shows the electrochemical processes for their preparation, in which the experimental data of the influence doping additions of boron and indium on the hydrogen permeabilities of synthesized electrochemical complexes based on nickel Nix-By-Hz and Nix-Iny-Hz are given. It is shown that by creating traps (structural, impurity) for hydrogen by introducing additional elements into the metal structure or by changing the structure (intermetallides), also by other methods, the hydrogen solubility of the metal can be changed to a greater or lesser extent depending on the technical requirements. Ni-B samples were obtained in the sulfamate nickel electrolyte using boron compounds of the class of higher polyhedral borates Na2B10H10. The use of nano forming boron additives provides a measured hydrogen content in Nix-By-Hz samples about of 600 cm3 / 100 g. Nickel - indium composites were obtained by electrolytic deposition on copper substrates (0.05 mm thick), with electrolyte composition: NiSO4×7H2O = 140 g / l; Na2SO4×10H2O=20 g / l; and In2 (SO4) 3 which concentration varied from 1 g / l to 12 g / l. Variations in the amount of In2(SO4)3 ensured the production of Ni-In composites with different component ratios. The obtained data made it possible to select the optimal mode of deposition of Ni-In plating in the In2(SO4)3 electrolyte. In order to determine the effect of each of the electrodeposition parameters on the properties of the samples, only one parameter varies: either the cathode current density or the concentration of indium in the electrolyte. The samples of different concentrations of In are synthesized and studied. Their phase composition was determined. Xray phase analysis reveals in the Ni-In composites synthesized from electrolytes with In2(SO4)3 concentration of more than 2 g / l, a phase corresponding to the intermetallide η-In27Ni10. For the first time in the practice of studying sorption, electrochemical composites Nix-Iny, including subsequent thermal desorption of hydrogen, are studied by implanting deuterium into the samples. It is demonstrated spectra of deuterium thermal desorption from Ni70In30Dx composites, which allowed determining the temperature ranges of desorption of ion-implanted deuterium depending on the dose of implantation. It is confirmed that a Ni 70In30 composite capable of retaining doped deuterium (hydrogen) has been obtained. It is shown that it is permissible to obtain samples of a Nix-Iny-Dz composite with a deuterium content of up to 2 at. D/at. Met, that corresponds to 5.3 wt. % (for composites of this composition).

наноструктурированные материалыникельбориндийводородпримесные и структурные ловушкиионная имплантацияводородный аккумуляторnanostructured materialsnickelboronindiumhydrogenimpurity and structural trapsion implantationhydrogen batteryReferencesКузнецов, В.В. Наводораживание металлов в электролитах / В.В. Кузнецов, Г.В. Халдеев, В.И. Кичигин – М.: Изд-во «Машиностроение», 1993. – 244 с.Kuznetsov V.V., Khaldeev G.V., Kichigin V.I. Hydrogenation of metals in electrolytes (Navodorazhivanie metallov v elektrolitakh). Moscow: Izd-vo “Mashinostroenie” Publ., 1993, 244 p. (in Russ.).Белоглазов, С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах / С.М. Белоглазов. – Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1975. – 412 с.Beloglazov S.M. Hydrogenation of steel during electrochemical processes (Navodorozhivanie stali pri elektrokhimicheskikh protsessakh). Leningrad: Izd-vo Leningrad. un-ta Publ., 1975, 412 p. (in Russ.).Водород в металлах. Прикладные аспекты / Под ред. Г. Амфельда и И. Фёлькля. – М.: Изд-во «Мир», 1981. – Т. 2. – 430 с.Hydrogen in metals (Vodorod v metallakh). Prikladnye aspekty / Ed. G. Amfel'da i I. Fel'klya. Moscow: Izd-vo “Mir” Publ., 1981, vol. 2, 430 p. (in Russ.).Новик, А. Релаксационные явления в кристаллах: пер. с англ. / А. Новик, Б. Берри. Под ред. Э.М. Надгородного, Я.М. Сойфера. – М.: Атомиздат, 1975. – 472 с.Novik A., Berri B. Relaxation phenomena in crystals (Relaksatsionnye yavleniya v kristallakh). Ed. E.M. Nadgorodnogo, Ya.M. Soifera. Moscow: Atomizdat Publ., 1975, 472 p. (in Russ.).Фрумкин, А.Н. Электродные процессы. Избранные труды / А.Н. Фрумкин. – М.: Изд-во «Наука», 1987. – 336 с.Frumkin A.N. Electrode processes. Selected works (Elektrodnye protsessy. Izbrannye trudy). Moscow: Izd-vo “Nauka” Publ., 1987, 336 p (in Russ.).Грилихес, С.Я. Электролитические и химические покрытия: Теория и практика / С.Я. Грилихес, К.Н. Тихонов. – Л.: Химия, 1990. – 288 с.Grilikhes S.Ya., Tikhonov K.N. Electrolytic and chemical coatings: Theory and practice (Elektroliticheskie I khimicheskie pokrytiya: Teoriya i praktika). Leningrad: Khimiya Publ., 1990,288 p. (in Russ.).Власов, Н.М. Математическое моделирование водородной проницаемости металлов: монография / Н.М. Власов, А.В. Звягинцева. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «ВГТУ», 2012. – 248 с.Vlasov N.M., Zvyagintseva A.V. Mathematical modeling of the hydrogen permeability of metals: Monograph (Matematicheskoe modelirovanie vodorodnoi pronitsaemosti metallov: monografiya). Voronezh: FGBOU VPO “VGTU” Publ., 2012, 248 p. (in Russ.).Звягинцева, А.В. Кинетика процессов электрохимического наводороживания металлов в присутствии бора [Текст] / А.В. Звягинцева, А.Л. Гусев, Ю.Н. Шалимов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2009. – № 4 (72). – С. 20–27.Zvyagintseva A.V., Gusev A.L., Shalimov Yu.N. Kinetics of the processes of electrochemical hydrogenation of metals in the presence of boron (Kinetika protsessov elektrokhimicheskogo navodorozhivaniya metallov v prisutstvii bora). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2009;(4):20–27 (in Russ.).Progress in Hydrogen Treatment of Materials (Progress v vodorodnoj obrabotke materialov) / Ed. By V.A. Goltsov. – Donetsk-Coral Gables: Kassiopeya Ltd., 2001. – 543 р. (in Eng.).Progress in Hydrogen Treatment of Materials / Ed. By V.A. Goltsov. Donetsk-Coral Gables: Kassiopeya Ltd., 2001, 543 p (in Russ.).Звягинцева, А.В. Взаимосвязь структуры и свойств гальванических никелевых покрытий, легированных бором, в изделиях электронной техники [Текст] / А.В. Звягинцева // Гальванотехника и обработка поверхности. – 2007. – Т. XV. – № 1. – С. 16– 22.Zvyagintseva A.V. Interrelation of the structure and properties of galvanic nickel coatings doped with boron in electronic products (Vzaimosvyaz' struktury I svoistv gal'vanicheskikh nikelevykh pokrytii, legirovannykh borom, v izdeliyakh elektronnoi tekhniki). Gal'vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti, 2007;XV(1):16–22 (in Russ.).Левич, В.Г. Физико-химическая гидродинамика. – М.: Изд-во АН СССР, 1952. – 538 с.Levich V.G. Physicochemical hydrodynamics (Fiziko-khimicheskaya gidrodinamika). Moscow: Izdvo AN USSR Publ., 1952, 538 p. (in Russ.).Харнед, Г. Оуэн Б. Физическая химия растворов электролитов: пер. с англ. / Г. Харнед, Б. Оуэн. – М.: Изд-во «Иностранной литературы», 1952. – 628 с.Kharned G., Ouen B. Physical chemistry of solu- tions of electrolytes (Fizicheskaya khimiya rastvorov elektrolitov). Moscow: Izd-vo “Inostrannoi literatury” Publ., 1952, 628 p. (in Russ.).Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А. Франк Каменецкий. – М.: Изд-во «Наука», 1987. – 502 с.Frank-Kamenetskii D.A. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics (Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike). Moscow: Izd-vo “Nauka” Publ., 1987, 502 p. (in Russ.).Антонова, М.М. Свойства гидридов металлов: Справочник / М.М. Антонова. – Киев: Наук. думка, 1975. – 252 с.Antonova M.M. Properties of Metal Hydrides:A Handbook (Svoistva gidridov metallov: Spravochnik). Kiev: Nauk. Dumka Publ., 1975, 252 p. (in Russ.).Жигач А.Ф., Стасиневич Д.С. Химия гидридов / А.Ф. Жигач, Д.С. Стасиневич. – Л.: Химия, 1969. – 280 с.Zhigach A.F., Stasinevich D.S. Chemistry of hydrides (Khimiya gidridov). Leningrad: Khimiya Publ., 1969, 280 p. (in Russ.).Полукаров, Ю.М. Электроосаждение никеля в условиях совместного действия переменного и постоянного токов [Текст] / Ю.М. Полукаров, В.В. Гришина, С.Б. Антонян // Электрохимия. – 1980. – Т. 16. – Вып. 3. – С. 423–427.. Polukarov Yu.M., Grishina V.V., Antonyan S.B. Elektroosazhdenie nikelya v usloviyah sovmestnogo dejstviya peremennogo ipostoyannogo tokov. Elektrohimiya, 1980;16(3):423–427 (in Russ.).Звягинцева, А.В. Влияние бора на наводороживание никелевых плёнок [Текст] / А.В. Звягинцева // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2006. – № 5.– С. 85–87.Zvyagintseva A.V. Effect of boron on the hydrogenation of nickel films (Vliyanie bora na navodorozhivanie nikelevykh plenok). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2006;(5):85–87 (in Russ.).Звягинцева, А.В. Зависимость процессов взаимодействия металлов с водородом от структуры электрохимических систем [Текст] / Звягинцева А.В. // Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского. Серия «Биология, химия». – 2013. – Т. 26 (65). – № 4. – С. 259–269.Zvyagintseva A.V. Dependence of the processes of interaction of metals with hydrogen on the structure of electrochemical systems (Zavisimost' protsessov vzaimodeistviya metallov s vodorodom ot struktury elektrokhimicheskikh system). Uchenye zapiski Tavricheskogo natsional'nogo universite-ta im. V. I. Vernadskogo. Seriya “Biologiya, khimiya”, 2013;26(4):259–269 (in Russ.).Звягинцева, А.В. Температурные интервалы десорбции дейтерия из Ni–In композитов [Текст] / А.В. Звягинцева, А.Н. Морозов, И.М. Кирьян // Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM´14. Сборник докладов Пятой Международной конференции и Девятой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова / Под ред. д-ра техн. наук А.А. Юхимчука. Саров: ФГУП «РФЯЦ–ВНИИЭФ», 2015. – С. 106–119.Zvyagintseva A.V., Morozov A.N., Kir'yan I.M. Temperature intervals for desorption of deuterium from Ni-In composites (Temperaturnye interval desorbtsii deiteriya iz Ni–In kompozitov) / Vzaimodeistvie izotopov vodoroda s konstruktsionnymi materialami. IHISM´14. Sbornik dokladov Pyatoi Mezhdunarodnoi konferentsii i Devyatoi Mezhdunarodnoi shkoly molodykh uchenykh I spetsialistov im. A.A.Kurdyumova / Ed. D.Sc. A.A. Yukhimchuka. Sarov: FGUP “RFYaTs–VNIIEF”, 2015, pp. 106–119 (in Russ.).Zvyagintseva, A.V. Interaction peculiarities of hydrogen and Ni-B galvanic alloys [Text] /A.V. Zvyagintseva // Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems. – Springer, 2008. – P. 437 – 442.Zvyagintseva A.V. Interaction peculiarities of hydrogen and Ni-B galvanic alloys. Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems. Springer, 2008, pp. 437–442 (in Eng.).Звягинцева, А.В. Способность материалов на основе никеля наноразмерного диапазона к аккумулированию водорода [Текст] / А.В. Звягинцева // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21. – С. 150–155.Zvyagintseva A.V. The ability of materials based on nickel of a nanoscale range to accumulate hydrogen (Sposobnost' materialov na osnove nikelya nanorazmernogo diapazona k akkumulirovaniyu vodoroda). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;(21):150–155 (in Russ.).Судзуки, К. Аморфные металлы: монография / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.Sudzuki K., Fudzimori Kh., Khasimoto K. Amorphous metals: monograph (Amorfnye metally: monografiya). Moscow: Metallurgiya Publ., 1987, 328 p. (in Russ.).Звягинцева А.В., Голодяев А.И. Пат. № 2529339 РФ МПК 51, B22D 27/02, C22F 3/02. Способ получения сплава с нарушенной структурой для аккумуляторов водорода. 27.09.2014; бюл. № 27; – 4 с.Zvyagintseva A.V., Golodyaev A.I. Method for obtaining an alloy with a broken structure for hydrogen accumulators (Sposob polucheniya splava s narushennoi strukturoi dlya akkumulyatorov vodoroda). Pat. No. 2529339 RF MPK51, B22D 27/02, C22F 3/02; bul. no. 27, 27.09.2014 (in Russ.).. Звягинцева А.В. Аккумулятор водорода. Пат. № 2521904 РФ МПК51, F17C 11/00.; 10.07. 2014; бюл. № 19; –5 с.Zvyagintseva A.V. The accumulator of hydrogen (Akkumulyator vodoroda). Pat. № 2521904 RF MPK51, F17C 11/00; opubl. 10.07. 2014; bul. no. 19 (in Russ.).Zvyagintseva A.V. On the Stability of Defects in the Structure of Electrochemical Coatings (Ob ustojchivosti defektov v structure elektrohimicheskih pokrytij) [Text] /A.V. Zvyagintseva, Yu.N. Shalimov // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2014. – Vol. 50. – No. 6. – P. 466–477.Zvyagintseva A.V., Shalimov Yu.N. On the Stability of Defects in the Structure of ElectrochemicalCoatings. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2014;50(6):466–477 (in Eng.).Звягинцева, А.В. Электроосаждение покрытий никель – индий из сульфатно-хлоридного электролита [Текст] / А.В. Звягинцева, А.И. Фаличева // Гальванотехника и обработка поверхности. – 1994. – Т. 3, – № 5–6. – С. 47–51.Zvyagintseva A.V., Falicheva A.I. Electrodeposition of nickel-indium coatings from sulfate-chloride electrolyte (Elektroosazhdenie pokrytii nikel' – indii iz sul'fatno-khloridnogo elektrolita). Gal'vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti, 1994;3(5–6):47–51 (in Russ.).Звягинцева, А.В. Физико-механические и коррозионно-электромеханические свойства никелевых покрытий, легированных индием [Текст] / А.В. Звягинцева, А.И. Фаличева // Гальванотехника и обработка поверхности. – 1994. – Т. 3. – №5–6. – С. 52–54.Zvyagintseva A.V., Falicheva A.I. Physicomechanical and corrosion-electromechanical properties of nickel coatings, doped with indium (Fizikomekhanicheskie i korrozionno-elektromekhanicheskie svoistva nikelevykh po-krytii, legirovannykh indiem). Gal'vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti, 1994;3(5–6):52–54 (in Russ.).Звягинцева, А.В. Структурно-фазовые изменения в электрохимических системах Ni-In [Текст] / А.В. Звягинцева // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия «Биология, химия». – 2013. – Т. 26 (65). – № 3. – С. 253–260.Zvyagintseva A.V. Structural-phase changes in electrochemical systems Ni-Jn (Strukturno-fazovye izmeneniya v elektrokhimicheskikh sistemakh Ni-Jn). Uchenye zapiski Tavricheskogo natsional'nogo universiteta im. V.I. Vernadskogo. Seriya “Biologiya, khimiya”, 2013;26(3):253–260 (in Russ.).Семененко, К.Н. О взаимодействии водорода с интерметаллическими соединениями [Текст] / К.Н. Семененко, В.В. Бурнашева, В.Н. Вербецкий // ДАН. – 1983. – Т. 270. – № 6. – С. 1404–1408.Semenenko, K.N. Burnasheva V.V., Verbetskii V.N. On the interaction of hydrogen with intermetallic compounds (O vzaimodeistvii vodoroda s intermetallicheski-mi soedineniyami). DAN USR, 1983; 270(6): 1404–1408 (in Russ.).Вол, А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем / А.Е. Вол. – М.: Изд-во «Наука», 1959. – 755 с.Vol A.E. The structure and properties of binary metal systems (Stroenie i svoistva dvoinykh metallicheskikh system). Moscow: Izd-vo “Nauka” Publ., 1959, 755 p. (in Russ.).Рохлин Л.Л., Банных О.А., Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник / Л.Л. Рохлин, О.А. Банных, Н.П. Лякишев. – М.: Из-во «Машиностроение», 2000. – В 3 тт: Т. 3: Кн. 2. – 448 с.Rokhlin L.L., Bannykh O.A., Lyakishev N.P. Diagrams of the state of double metal systems: Handbook (Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem: Spravochnik). Ed. Lyakisheva N.P. Moscow: Iz-vo “Mashinostroenie” Publ., 2000, vol. 3: book 2 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.