alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.01-03.049-056alternative-1264Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYГИДРИРОВАНИЕ СПЛАВА Ti80Fe20HYDROGENATION OF Ti80Fe20 ALLOYФокинВ. Н.FokinV. N.

канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник

Ph.D. in Chemistry, Senior Researcher

fvn@icp.ac.ruФокинаЭ. Э.FokinaE. E.

науч. сотрудник

Researcher

fvn@icp.ac.ruТарасовБ. П.TarasovB. P.

канд. хим. наук, зав. лаб. ИПХФ РАН

Ph.D. in Chemistry, Head of Laboratory

fvn@icp.ac.ruИнститут проблем химической физики РАНРоссияInstitute of Problems of Chemical Physics of RASRussian Federation20181203201801-34956Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1264

Исследовано взаимодействие сплава состава 80 ат. % Ti + 20 ат. % Fe (Ti80Fe20) с аммиаком под давлением 0,6÷0,8 МПа в интервале температур 100 ÷ 500 ºC: определены фазовые превращения в системе Ti80Fe20–NH3,  установлен состав продуктов, найдены условия образования гидридных и нитридных фаз, определена температура образования гидридных фаз с максимально возможным содержанием водорода для использования сплава в металлогидридных аккумуляторах водорода. Показана зависимость направления реакции сплава с аммиаком, проходящей в присутствии NH4Cl (10 мас. % от количества сплава) как активатора, от температуры. Одним из продуктов реакции, проведенной при 100 ºC, является гидридная фаза состава Ti4FeH8,3, которая при дальнейшем небольшом повышении температуры реакции разлагается на гидридные фазы титана и интерметаллического соединения TiFe. При температуре взаимодействия 200 ºC и выше происходит внедрение в металлическую решетку гидрида интерметаллида TiFeH-2 незначительных количеств азота с образованием фазы TiFeH-2Nx, а при температуре 350 ºC и выше в составе продуктов реакции появляется нитрид титана TiN. Взаимодействие сплава с аммиаком при 500 ºC приводит к образованию смеси нитрида титана и металлического α-Fe. Отмечено резкое увеличение удельной поверхности продуктов реакции при повышении температуры процесса от 250 ºC до 400 ºC (от 0,2 м2/г до 46,4 м2/г), что свидетельствует об образовании смеси высокодисперсных порошков. Металлогидридный аккумулятор водорода на основе исследованного сплава может работать в интервале температур от комнатной до 600 ºC и выделять до 3 мас. % водорода.

We investigated the interaction of alloy of composition 80 at. % of Ti + 20 at. % of Fe (Ti80Fe20) with ammonia under pressure of 0.6 ÷ 0.8 MPa at the temperatures 100 ÷ 500 ºC: the phase transformations in the Ti80Fe20–NH3 system were defined; the composition of products was established; the formation conditions of the hydride and nitride phases were found; the formation temperatures of the hydride phases with the greatest possible content of hydrogen for use of alloy in the metal hydride accumulators of hydrogen were determined. The study shows the dependence of the reaction direction of alloy with ammonia, taking place in presence of NH4Cl (the 10 wt. % of alloy quantity) as activator, on temperature. One of the products of the reaction, which is carried out at 100 ºC, is the hydride phase of composition Ti4FeH8.3. With further a slight increase in temperature of reaction, this phase decomposes on hydride phases of the titanium and of the intermetallic compound TiFe. At interaction temperature of 200 ºC and above, insignificant amount of nitrogen is introduced into a metal lattice of hydride of an intermetallide of TiFeH-2 with formation of the phase TiFeH-2Nx. At temperature of 350 ºC and above, the titanium nitride TiN appears as a part of reaction product. The interaction of alloy and ammonia at 500 ºC leads to mixture of titanium nitride and metallic - Fe. The sharp increase in a specific surface area of reaction products at increase in process temperature from 250 ºC to 400 ºC (from 0.2 m 2 /g to 46.4 m2 /g) is shown to demonstrate the formation of mixture of high-disperse powders. The metal hydride accumulator of hydrogen on the basis of the studied alloy can work in a temperature range of room temperature to 600 ºC and allocate up to 3 wt. % of hydrogen.

 

водородаммиаксплавинтерметаллическое соединениегидрированиегидридная фазагидроазотиро-ваниеметаллогидридный аккумулятор водородаhydrogenammoniaalloyintermetallic compoundhydrogenationhydride phasehydronitridingmetal hydride accumulator of hydrogenРабота выполнена в рамках госзадания № 0089-2014- 0030 и при поддержке РФФИ (№ 16-29-06197_офи_м)The work was carried out within the frameworks of the state task No. 0089-2014-0030 and with the support of the Russian Foundation for Basic Research (No. 16-29- 06197_ofi_m)ReferencesReilly, J.J. Formation and properties of iron titanium hydride [Text] / J.J. Reilly, R.H. Wiswall // Inorganic Chemistry. – 1974. – Vol. 13. – No. 1. – P. 218–222.Reilly J.J., Wiswall R.H. Formation and properties of iron titanium hydride. Inorganic Chemistry, 1974;13(1):218–222 (in Eng.).Тарасов, Б.П. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода [Текст] / Б.П. Тарасов, М.В. Лотоцкий, В.А. Яртысь // Российский химический журнал. – 2006. – Т. L. – № 6. – C. 34–48.Tarasov B.P., Lotostkii M.V., Yartys V.A. Problem of hydrogen storage and use perspectives of hydrides for hydrogen accumulation (Problema khraneniya vodoroda i perspectivy ispol'zovaniya gidridov dlya akkumulirovaniya vodoroda). Rossiiskii khimicheskii zhurnal, 2006;L(6):34–48 (in Russ.).Sakintuna, B. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: A review [Text] / B. Sakintuna, F. Lamari-Darkrim, M. Hirscher // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – No. 9. – P. 1121– 1140.Sakintuna B., Lamari-Darkrim F., Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 2007;32(9):1121–1140 (in Eng.).Principi, G. The problem of solid state hydrogen storage [Text] / G. Principi, F. Agresti, A. Maddalena, S. Lo Russo // Energy. – 2009. – Vol. 34. – P. 2087–2091.Principi G., Agresti F., Maddalena A., Lo Russo S. The problem of solid state hydrogen storage. Energy, 2009;34:2087–2091 (in Eng.).Rusman, N.A.A. A review on the current progress of metal hydrides material for solid state hydrogen storage application [Text] / N.A.A. Rusman, M. Dahari // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – P. 12108–12126.Rusman N.A.A., Dahari M. A review on the current progress of metal hydrides material for solid state hydrogen storage application. International Journal of Hydrogen Energy, 2016;41:12108–12126 (in Eng.).Kinaсi, A. Ab initio investigation of FeTi–H system [Text] / A. Kinaсi, M.K. Aydinol // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – No. 13. – P. 2466–2474.Kinaсi A., Aydinol M.K. Ab initio investigation of FeTi–H system. International Journal of Hydrogen Energy, 2007;32(13):2466–2474 (in Eng.).Zadorozhnyy, V. Hydrogen storage nanocrystalline TiFe intermetallic compound: Synthesis by mechanical alloying and compacting [Text] / V. Zadorozhnyy, S. Klyamkin, M. Zadorozhnyy, O. Bermeseva, S. Kaloshkin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 17131–17136.Zadorozhnyy V., Klyamkin S., Zadorozhnyy M., Bermeseva O., Kaloshkin S. Hydrogen storage nanocrystalline TiFe intermetallic compound: Synthesis by mechanical alloying and compacting. International Journal of Hydrogen Energy, 2012;37:17131–17136 (in Eng.).Edalati, K. High-pressure torsion of TiFe intermetallics for activation of hydrogen storage at room temperature with heterogeneous nanostructure [Text] / K. Edalati, J. Matsuda, H. Iwaoka, S. Toh, E. Akiba, Z. Horita // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – No. 11. – P. 4622–4627.Edalati K., Matsuda J., Iwaoka H., Toh S., Akiba E., Horita Z. High-pressure torsion of TiFe intermetallics for activation of hydrogen storage at room temperature with heterogeneous nanostructure. International Journal of Hydrogen Energy, 2013;38:4622–4627 (in Eng.).Emami, H. Hydrogen storage performance of TiFe after processing by ball milling [Text] / H. Emami, K. Edalati, J. Matsuda, E. Akiba, Z. Horita // Acta Materialia. – 2015. – Vol. 88. – P. 190–195.Emami H., Edalati K., Matsuda J., Akiba E., Horita Z. Hydrogen storage performance of TiFe after processing by ball milling. Acta Materialia, 2015;88:190–195 (in Eng.).Berdonosova, E.A. Calorimetric study of peculiar hydrogenation behavior of nanocrystalline TiFe [Text] / E.A. Berdonosova, S.N. Klyamkin, V.Yu. Zadorozhnyy, M.Yu. Zadorozhnyy, K.V. Geodakian, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 688. – P. 1181–1185.Berdonosova E.A., Klyamkin S.N., Zadorozhnyy V.Yu., Zadorozhnyy M.Yu., Geodakian K.V., Gorshenkov M.V., Kaloshkin S.D. Calorimetric study of peculiar hydrogenation behavior of nanocrystalline TiFe. Journal of Alloys and Compounds, 2016;688:1181–1185 (in Eng.).Zadorozhnyy, V.Yu. Preparation and hydrogen storage properties of nanocrystalline TiFe synthesized by mechanical alloying [Text] / V.Yu. Zadorozhnyy, G.S. Milovzorov, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, D.V. Strugova, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Progress in Natural Science: Materials International. – 2017. – Vol. 27. – P. 149–155.Zadorozhnyy V.Yu., Milovzorov G.S., Klyamkin S.N., Zadorozhnyy M.Yu., Strugova D.V., Gorshenkov M.V., Kaloshkin S.D. Preparation and hydrogen storage properties of nanocrystalline TiFe synthesized by mechanical alloying. Progress in Natural Science: Materials International, 2017;27:149–155 (in Eng.).Sandrock, G. A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction point of view [Text] / G. Sandrock // Journal of Alloys and Compounds. – 1999. – Vol. 293. – No. 1. – P. 877–888.Sandrock G. A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction point of view. Journal of Alloys and Compounds, 1999;293(1):877–888 (in Eng.).Bououdina, M. Review on hydrogen absorbing materials – structure, microstructure and thermodynamic properties [Text] / M. Bououdina, D. Grant, G. Walker // International Journal of Hydrogen Energy. – 2006. – Vol. 31. – No. 2. – P. 177–182.Bououdina M., Grant D., Walker G. Review on hydrogen absorbing materials – structure, microstructure and thermodynamic properties. International Journal of Hydrogen Energy, 2006;31(2):177–182 (in Eng.).Фокин, В.Н. Фазовые превращения в системах Ti2Fe–H2 и Ti2Fe– NH3 [Текст] / В.Н. Фокин, Э.Э. Фокина, И.И. Коробов, Б.П. Тарасов // Журнал неорганической химии. – 2016. – Т. 61. – № 7. – С. 931–935.Fokin V.N., Fokina E.E., Korobov I.I., Tarasov B.P. Phase transformations in the systems Ti2Fe–H2 and Ti2Fe–NH3 (Fazovye prevrashcheniya v sistemakh Ti2Fe–H2 i Ti2Fe–NH3). Zhurnal neorganicheskoi khimii, 2016;61(7):931–935 (in Russ).Mitrokhin, S.V. Hydrogen absorption of TiFe-based Ti-Fe-V-Mn alloys [Text] / S.V. Mitrokhin, V.N. Verbetsky, R.R. Kaumov, Cunmao Hong, Yufen Zhang. // Journal of Alloys and Compounds. – 1993. – Vol. 199. – P. 155–160.Mitrokhin S.V., Verbetsky V.N., Kaumov R.R., Hong Cunmao, Zhang Yufen. Hydrogen absorption of TiFe-based Ti-Fe-V-Mn alloys. Journal of Alloys and Compounds, 1993;199:155–160 (in Eng.).Guéguen, A. Influence of the addition of vanadium on the hydrogenation properties of the compounds TiFe0.9Vx and TiFe0.8Vx (x = 0, 0.05 and 0.1) [Text] / A. Guéguen, M. Latroche // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – Vol. 509. – P. 5562–5566.Guéguen A., Latroche M. Influence of the addition of vanadium on the hydrogenation properties of the compounds TiFe0.9Vx and TiFe0.8Vx (x = 0, 0.05 and 0.1). Journal of Alloys and Compounds, 2011;509:5562–5566 (in Eng.).Задорожный, М.Ю. Механохимический синтез нанокристаллического интерметаллического соединения TiFe и его механическое гидрирование третьим компонентом [Текст] / М.Ю. Задорожный, С.Д. Калошкин, С.Н. Клямкин, О.В. Бермешева, В.Ю. Задорожный // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2012. – № 9. – С. 30–35.Zadorozhnyy M.Yu., Kaloshkin S.D., Klyamkin S.N., Bermesheva O.V., Zadorozhnyy V.Yu. Mechanochemical synthesis of nanocrystalline intermetallic compound TiFe and its mechanical hydrogenation with third component (Mekhanokhimicheskii sintez nanokristallicheskogo soedineniya TiFe i ego mekhanicheskoe gidrirovanie tret'im komponentom). Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2012;(9):30–35 (in Russ.).Zadorozhnyy, V.Yu. Mechanical alloying of nanocrystalline intermetallic compound TiFe doped with sulfur and magnesium [Text] / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 615. – P. S569–S572.Zadorozhnyy V.Yu., Klyamkin S.N., Zadorozhnyy M.Yu., Gorshenkov M.V., Kaloshkin S.D. Mechanical alloying of nanocrystalline intermetallic compound TiFe doped with sulfur and magnesium. Journal of Alloys and Compounds, 2014;615:S569–S572 (in Eng.).Aoki, K. Solid state amorphous phase formation by hydrogen absorption [Text] / K. Aoki // Materials Science and Engineering. A. – 2001. – V. 304–306. – No. 1–2. – P. 45–53.Aoki K. Solid state amorphous phase formation by hydrogen absorption. Materials Science and Engineering. A, 2001;304–306(1–2):45–53 (in Eng.).Abe, M. Hydrogen absorption of TiFe alloy syn-thesized by ball milling and post-annealing [Text] / M. Abe, T. Kuji // Journal of Alloys and Compounds. – 2007. – Vol. 446–447. – P. 200–203.Abe M., T. Kuji Hydrogen absorption of TiFe alloy synthesized by ball milling and post-annealing. Journal of Alloys and Compounds, 2007;446–447:200– 203 (in Eng.).Chiang, C.-H. Hydrogenation of TiFe by high-energy ball milling [Text] / C.-H. Chiang, Z.-H. Chin, T.-P. Perng // Journal of Alloys and Compounds. – 2000. – Vol. 307. – P. 259–265.Chiang C.-H., Chin Z.-H., Perng T.-P. Hydrogenation of TiFe by high-energy ball milling. Journal of Alloys and Compounds, 2000;307:259–265 (in Eng.).Тарасов, Б.П. Синтез гидридов интерметаллических соединений [Текст] / Б.П. Тарасов, Э.Э. Фокина, В.Н. Фокин // Журнал общей химии. – 2014. – Т. 84. – № 2. – С. 199–203.Tarasov B.P., Fokina E.E., Fokin V.N. Synthesis of hydrides of intermetallic compounds (Sintez gidridov intermetallicheskikh coedinenii). Zhurnal obshchei khimii, 2014;84(2):199–203 (in Russ.).Тарасов, Б.П. Диспергирование и фазовые превращения при взаимодействии с аммиаком интерметаллических соединений и сплавов Ti, Zr и Y с железом и никелем [Текст] / Б.П. Тарасов, Э.Э. Фокина, В.Н. Фокин // Известия Академии наук. Серия химическая. – 2016. – № 8. – С. 1887–1892.Tarasov B.P., Fokina E.E., Fokin V.N. Dispergation and phase transformations at interaction of intermetallic compounds and alloys of Ti, Zr and Y with iron and nickel with ammonia (Dispergirovanie i fazovye prevrashcheniya pri vzaimodeistvii s ammiakom intermetallicheskhich soedinenii i splavov Ti, Zr i Y s zhelezom i nikelem). Izvestiya AN. Seriya khimicheskaya, 2016;(8):1887–1892 (in Russ.).Семененко, К.Н. К вопросу о механизме гидрирования металлов в присутствии интерметаллических соединений [Текст] / К.Н. Семененко, В.В. Бурнашева, Э.Э. Фокина, В.Н. Фокин, С.Л. Троицкая // Журнал общей химии. – 1989. – Т. 59. – № 10. – С. 2173–2177.Semenenko K.N., Burnasheva V.V., Fokina E.E., Fokin V.N., Troitskaya S.L. To a question about the mechanism of hydrogenation of metals in the presence of intermetallic compounds (K voprosu o mekhanizme gidrirovaniya metallov v prisutstvii intermetallicheskikh soedinenii). Zhurnal obshchei khimii, 1989;59(10):2173– 2177 (in Russ.).Вербецкий, В.Н. Взаимодействие с водоро-дом сплава Ti4Fe [Текст] / В.Н. Вербецкий, Р.Р. Каю-мов, К.Н. Семененко // Металлы. – 1991. – № 1. – С. 199–201.Verbetsky V.N., Kayumov R.R., Semenenko K.N. Interaction of alloy Ti4Fe with hydrogen (Vzaimodeistvie s vodorodom splava Ti4Fe). Metally, 1991;(1):199–201 (in Russ.).Rupp, B. On the change in physical properties of the Tiy-xFe2+xOy during hydrogenation [Text] / B. Rupp // Journal of Less-Common Metals. – 1984. – Vol. 104. – P. 51–54.Rupp B. On the change in physical properties of the Tiy-xFe2+xOy during hydrogenation. Journal of Less-Common Metals, 1984;104:51–54 (in Eng.).Тарасов, Б.П. Химические методы диспергирования металлических фаз [Текст] / Б.П. Тарасов, Э.Э. Фокина, В.Н. Фокин // Известия Академии наук. Серия Химическая. – 2011. – № 7. – С. 1228–1236.Tarasov B.P., Fokina E.E., Fokin V.N. Chemical methods of dispergation of metallic phases (Khimicheskie metody dispergirovaniya metallicheskikh faz). Izvestiya AN. Seriya khimicheskaya, 2011;(7):1228–1236 (in Russ.).Фокин, В.Н. Гидрирование интерметаллического соединения Zr2Ni [Текст] / В.Н Фокин, Э.Э. Фокина, Б.П. Тарасов // Неорганические материалы. – 2014. – Т. 50. – № 1. – С. 24–27.Fokin V.N., Fokina E.E., Tarasov B.P. Hydrogenation of intermetallic compound Zr2Ni. (Gidrirovanie intermetallicheskogo soedineniya Zr2Ni). Neorganicheskie materialy, 2014;50(1):24–27 (in Russ.).Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. Т. 2 / Под общей редакцией академика Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1997. – 1024 с.State diagrams of double metal systems (Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem): Handbook. V. 2 / Under the general edition of the academician N.P. Lyakishev. Moscow: Mechanical engineering Publ., 1997 (in Russ.).Crane, R.L. A room-temperature polymorphic transition of titanium hydride [Text] / R.L. Crane, S.C. Chattoraj, M.B. Strope // Journal of Less-Common Metals. – 1971. – Vol. 25. – No. 2. – P. 225–227.Crane R.L., Chattoraj S.C., Strope M.B. A room-temperature polymorphic transition of titanium hydride. Journal of Less-Common Metals, 1971;25(2):225–227 (in Eng.).Самсонов, Г.В. Нитриды – Киев: Наукова думка, 1969. – 378 с.Samsonov G.V. Nitrides (Nitridy). – Kiev: Naukova dumka, 1969 (in Russ).

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