References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2023.07.052-069

alternative-2336

Research Article

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

HYDROGEN ECONOMY

Перспективные материалы на основе Ti-Al для водородной энергетики, полученные «гидридной технологией»

Promising Ti-Al-based materials obtained by «hydride technology» intended for hydrogen energetics

Каракчиева

Н. И.

Karakchieva

N. I.

Каракчиева Наталья Ивановна - канд. хим. наук, ст. научный сотрудник

пр. Ленина, 36, Томск, Российская Федерация, 634050

+7 (3822)412-319

Karakchieva Natalia Ivanovna - PhD, Senior Researcher,

Lenina Ave., 36, Tomsk, Russian Federation, 634050

tel.: +7 (3822)412-319

karakchieva@mail.tsu.ru

Абзаев

Ю. А.

Abzaev

Yu. A.

Абзаев Юрий Афанасьевич - Доктор физико-математических наук, Профессор кафедры «Высшая математика»

пл. Соляная, 2, Томск, Российская Федерация, 634003

+7 (3822) 90-33-06

Abzaev Yuri Afanasievich - D. in Physics and Mathematics, Professor, Department of Higher Mathematics

pl. Solyanaya, 2, Tomsk, Russian Federation, 634003

tel.: +7 (3822) 90-33-06

Норин

В. В.

Norin

V. V.

Норин Владислав Вадимович - ассистент; ведущий специалист отдела предпроектной подготовки

пр. Ленина, 36, Томск, Российская Федерация, 634050

ул. Алексея Беленца, д. 9/1, Томск, Российская Федерация, 634050

+7 (3822)412-319

+7 (3822) 909-969

Norin Vladislav Vadimovich - Assistant, Leading Specialist of the Pre-Project Preparation Department

Lenina Ave., 36, Tomsk, Russian Federation, 634050

st. Alexey Belentsa, 9/1, Tomsk, Russian Federation, 634050

tel.: +7 (3822)412-319

+7 (3822) 909-969

Князев

А. С.

Knyazev

A. S.

Князев Алексей Сергеевич - д-р хим. наук, до-цент, И.о. декана

пр. Ленина, 36, Томск, Российская Федерация, 634050

+7 (3822)412-319

Knyazev Alexei Sergeevich - Doctor of Chemical Sciences, Associate Professor, Acting Dean of the Department of Chemistry, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education

Lenina Ave., 36, Tomsk, Russian Federation, 634050

tel.: +7 (3822)412-319

Сачков

В. И.

Sachkov

V. I.

Сачков Виктор Иванович - д-р. хим. наук, зав. Лабораторией химических технологий

пр. Ленина, 36, Томск, Российская Федерация, 634050

+7 (3822)412-319

Sachkov Viktor Ivanovich - D. in Chemis-try, Head of the Laboratory of Chemical Technology

Lenina Ave., 36, Tomsk, Russian Federation, 634050

tel.: +7 (3822)412-319

Курзина

И. А.

Kurzina

I. A.

Курзина Ирина Александровна - д-р. физ.-мат. наук, зав. кафедрой природных соедине-ний, фармацевтической и медицинской химии ХФ

пр. Ленина, 36, Томск, Российская Федерация, 634050

+7 (3822)412-319

Kurzina Irina Alexandrovna - Doctor of Physics and Mathematics sciences, head. De-partment of Natural Compounds, Pharmaceutical and Medicinal Chemistry, Chemistry Department

Lenina Ave., 36, Tomsk, Russian Federation, 634050

tel.: +7 (3822)412-319

Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian Federation

Томский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation

Национальный исследовательский Томский государственный университет; ООО «Инжиниринговый химико-технологический центр»РоссияNational Research Tomsk State University; OOO "Engineering Chemical Technology Center"Russian Federation

2023

02052024

075269

2024

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2336

В работе исследовано соединение TiH кодами ATAT, USPEX с интерфейсом QE и VASP. Прогнозные оценки выявили ряд стабильных и геометрически оптимизированных гидридов с разным атомным составом: Ti6H2, Ti5H3, Ti5H2, Ti4H3, Ti3H5 простой триклинной группы и высокосимметричные сплавы TiH2, Ti2H2, Ti6H2, Ti3H5. Стабильность гидридов оценивалась расчетами из первых принципов и методом выпуклых оболочек. Модельные оценки механических характеристик показали, что гидриды с низкой массовой плотностью относятся к высокопрочным соединениям. Обнаруженные гидриды могут быть включены в эталонную базу соединений TiH. Рассмотрена возможность получения сплавов на основе TiAl с добавками Sc, Y, Dy, Ho «Гидридной технологией». Обнаружено формирование ламельной структуры при введении 2 ат.% Sc, Y в Ti50Al (ат.%). При добавлении 2 ат.% Y, Dy, Ho в Ti50Al (ат.%) формируются изотипические соединения Y6Ti4Al43, Dy6Ti4Al43, Ho6Ti4Al43. Приводятся значения микротвердости и электросопротивления.

In this work, Ti-H compounds were studied by means of ATAT, USPEX codes equipped with the QE and VASP interface. The forecast estimation allowed revealing a number of stable and geometrically optimized hydrides having various atomic compositions: Ti6H2, Ti5H3, Ti5H2, Ti4H3, Ti3H5 of a simple triclinic group, and highly symmetric alloys TiH2, Ti2H2, Ti6H2, Ti3H5. The stability of the hydrides was evaluated by means of calculations from first-principles and the convex hull method. Model estimations of the mechanical characteristics showed that the hydrides having a low mass density belonged to high-strength compounds. The identified hydrides could be included into the reference base of Ti-H compounds. The possibility of obtaining Ti-Al-based alloys supplemented with Sc, Y, Dy, Ho additives by the “Hydride technology” was considered. The lamellar structure formation when adding 2 at.% of Sc, Y to Ti-50Al (at.%) was detected. Isotypic compounds Y6Ti4Al43, Dy6Ti4Al43, Ho6Ti4Al43 were formed when adding 2 at.% of Y, Dy, Ho to Ti-50Al (at.%). The values of microhardness and electrical resistance were provided.

водородгидриды«Гидридная технология»Ti-Alскандийиттрийдиспрозийгольмийизотипические соединенияламельная структурамикротвердость

hydrogenhydrides“Hydride technology”Ti-Alscandiumyttriumdysprosiumholmiumisotypic compoundslamellar structuremicrohardness

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания № FSWM20200028 Исследования выполнены на оборудовании Томского регионального центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета (Грант Министерства Науки и Высшего Образование Российской Федерации №. 075152021693 (№ 13.ЦКП.21.0012)).

References1

. Фатеев, В.Н. Проблемы аккумулирования и хранения водорода // В.Н. Фатеев [и др.] // Chemical Problems. – 2018. – Т. 16. – № 4. – С. 453483.

. Fateev, V.N. Problemy akkumulirovaniya i khraneniya vodoroda // V.N. Fateev [i dr.] // Chemical Problems. – 2018. – T. 16. – № 4. – S. 453483.

. Тарасов, Б.П. Методы хранения водорода и возможности использования металлогидридов / Б.П. Тарасов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». – 2005. – Т. 32. – № 12. – С. 1437.

. Tarasov, B.P. Metody khraneniya vodoroda i vozmozhnosti ispol'zovaniya metallogidridov / B.P. Tarasov [i dr.] // Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA». – 2005. – T. 32. – № 12. – S. 1437.

. Карпов Д.А. Водородная энергетика: хранение водорода в связанном состоянии [Текст] / Д.А. Карпов, В.Н. Литуновский. – СанктПетербург: АО “НИИЭФА”, 2016. – 94 с.

. Karpov D.A. Vodorodnaya ehnergetika: khranenie vodoroda v svyazannom sostoyanii [Tekst] / D.A. Karpov, V.N. Litunovskii. – SanktPeterburg: AO “NIIEHFA”, 2016. – 94 s.

. Desai, Fenil J. A critical review on improving hydrogen storage properties of metal hydride via nanostructuring and integrating carbonaceous materials / F.J. Desai [et all] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. In Press

. ZengYi, Li Optimizing hydrogen ad/desorption of Mgbased hydrides for energystorage applications / Z.Y. Li [et all] // Journal of Materials Science and Technology/ – 2023/ – V. 141/ – P. 221235.

. Shusuke, U. Thermodynamic Analysis of the TiH and ZrH Binary Phase Diagrams / U. Shusuke, H. Ohtani and M. Hasebe. // Journal of the Japan Institute of Metals. – 2007. – V. 71. – No. 9. – P. 721729.

. Abzaev, Yu. A. Refinement of the Structure of HydrogenVacancy Complexes in Titanium by the Rietveld Method / Yu. A. Abzaev [et all] // Physics of the Solid State. – 2016. – V. 58. – No.10. – P. 19391944.

. Nations, S. Metal hydride compositionderived parameters as machine learning features for material design and H2 storage / S. Nations [et all] // Journal of Energy Storage. – 2023. – 107980. – P. 117.

. Карпов, Д.А., Литуновский В.Н. Водородная энергетика: хранение водорода в связанном состоянии / Д.а. Карпов, В.Н. Литуновский. – СанктПетербург: АО “НИИЭФА”, 2016. – 94 с.

. Karpov, D.A., Litunovskii V.N. Vodorodnaya ehnergetika: khranenie vodoroda v svyazannom sostoyanii / D.a. Karpov, V.N. Litunovskii. – SanktPeterburg: AO “NIIEHFA”, 2016. – 94 s.

. Крайнов, В.И. Технологическая деформируемость титановых сплавов [Текст] / В.И. Крайнов, В.С. Кропачев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». – 2015. – Т. 15. – № 2. – С.115119.

. Krainov, V.I. Tekhnologicheskaya deformiruemost' titanovykh splavov [Tekst] / V.I. Krainov, V.S. Kropachev // Vestnik YUURGU. Seriya «MetallurgiYA». – 2015. – T. 15. – № 2. – S.115119.

. Appel, F., J.D.H. Paul and M. Oehring, Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology, Weinheim: WileyVCH. – 2011. – p.178.

. Гапонцев, А.В., Кондратьев В.В. Диффузия водорода в неупорядоченных металлах и сплавах [Текст] / А.В. Гапонцев, В.В. Кондратьев // Успехи физических наук. – 2003. – Т. 173. – № 10. – С. 1107–1129.

. Gapontsev, A.V., Kondrat'ev V.V. Diffuziya vodoroda v neuporyadochennykh metallakh i splavakh [Tekst] / A.V. Gapontsev, V.V. Kondrat'ev // Uspekhi fizicheskikh nauk. – 2003. – T. 173. – № 10. – S. 1107–1129.

. Billeter, E. Surface Properties of the HydrogenTitanium System [Текст] / E. Billeter, Z. Lodziana, A. Borgschulte // The journal of physical chemistry. C, Nanomaterials and interfaces. – 2021. – V. 45. – № 125. – P. 2533925349.

. Billeter, E. Surface Properties of the HydrogenTitanium System [Tekst] / E. Billeter, Z. Lodziana, A. Borgschulte // The journal of physical chemistry. C, Nanomaterials and interfaces. – 2021. – V. 45. – № 125. – P. 2533925349.

. Walle, A. van de Multicomponent multisublattice alloys, nonconfigurational entropy and other additions to the Alloy Theoretic Automated Toolkit / A. van de Walle // CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. – 2009. – No 33. – P. 266 – 278.

. Walle, A. van de Selfdriven latticemodel monte carlo simulations of alloy thermodynamic properties and phase diagrams [Text] / A. van de Walle, M.D. Asta // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2002. – V. 521. – No 10. – P. 521538.

. Oganov, A.R. Crystal structure prediction using evolutionary algorithms: principles and applications [Text] / A.R. Oganov, C.W. Glass // Journal of Chemical Physics. – 2006, – No 12. – P. 244704.

. Oganov, A.R. Evolutionary crystal structure prediction as a method for the discovery of minerals and materials / A.R. Oganov [et all] // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. – 2010. – V. 71. – P. 271298.

. The Materials Project [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://materialsproject.org. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.06.2023).

. The Materials Project [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://materialsproject.org. – Zaglavie s ehkrana. – (Data obrashcheniya: 23.06.2023).

. Clark, S.J. Zeitschrift fuer / S.J. Clark [et all] // Kristallographie. –2005. – V. 220. – No 56. – P. 567570.

. Crystallography Open Database [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:// crystallography.net/. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.06.2023).

. Crystallography Open Database [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https:// crystallography.net/. – Zaglavie s ehkrana. – (Data obrashcheniya: 23.06.2023).

. Automatic – FLOW for Materials Discovery [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:// www.aflowlib.org. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.06.2023).

. Automatic – FLOW for Materials Discovery [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https:// www.aflowlib.org. – Zaglavie s ehkrana. – (Data obrashcheniya: 23.06.2023).

. Materials data platform DICI [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cpddb.nims.go.jp/cpddb. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 23.06.2023).

. Materials data platform DICI [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://cpddb.nims.go.jp/cpddb. – Zaglavie s ehkrana. – (Data obrashcheniya: 23.06.2023).

. Mazhnik, E. A model of hardness and fracture toughness of solids [Текст] / E. Mazhnik and A. R. Oganov // Journal of Applied Physics. − 2019. − No 126. − P. 125109.

. Mazhnik, E. A model of hardness and fracture toughness of solids [Tekst] / E. Mazhnik and A. R. Oganov // Journal of Applied Physics. − 2019. − No 126. − P. 125109.

. Андриевский, Р.А. Материаловедение гидридов / Р.А. Андриевский. – Москва: Металлургия, 1986. – 130 с.

. Andrievskii, R.A. Materialovedenie gidridov / R.A. Andrievskii. – Moskva: Metallurgiya, 1986. – 130 s.

. David, E. An overview of advanced materials for hydrogen storage /E. David / Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – V. 162–163. – P. 169177.

. Karakchieva, N. Influence of Dy and Ho on the Phase Composition of the Ti‐Al System Obtained by ‘Hydride Technology’ / N. Karakchieva [et all] // Materials. – 2022. – No 15. – P. 8584.

. Pisarev, A.A. Hydrogen adsorption on the surface of metals. In book: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. Mechanisms, Modelling and Future Developments / A.A. Pisarev. – Sawston: Woodhead Publishing Limited. – 2012. – P. 326.

. Мюттертиз, Э. Гидриды переходных металлов / под ред. Р.И. Красновой. – Москва: Мир. – 1975. –312 с.

. Myuttertiz, EH. Gidridy perekhodnykh metallov / pod red. R.I. Krasnovoi. – Moskva: Mir. – 1975. –312 s.

. Спиридонова, Т.И. Взаимодействие водорода с примесями в металлах IVB группы [Текст] / Т.И. Спиридонова, А.В. Бакулин, С.Е. Кулькова. // Физика твердого тела. – 2015. №10. – С.18731882.

. Spiridonova, T.I. Vzaimodeistvie vodoroda s primesyami v metallakh IVB gruppy [Tekst] / T.I. Spiridonova, A.V. Bakulin, S.E. Kul'kova. // Fizika tverdogo tela. – 2015. №10. – S.18731882

. Titanium aluminides In: Rahul Mitra / eds Intermetallic Matrix Composites / – Sawston: Woodhead Publishing, 2018. – 617 с.

. Titanium aluminides In: Rahul Mitra / eds Intermetallic Matrix Composites / – Sawston: Woodhead Publishing, 2018. – 617 s.

. Karakchieva, N. The Influence of Scandium on the Composition and Structure of the TiAl Alloy Obtained by “Hydride Technology” / N. Karakchieva [et all] // Nanomaterials. – V. 918. – No. 918. – P. 113.

. Niemann, S. Ternary Aluminides A6T4Al43 (A= Y, Nd, Sm, GdLu, and U; T= Ti, V, Nb, and Ta) with Ho6Mo4Al43 Type Structure / S. Niemann, W. Jeitschko // Journal of Solid State Chemistry. – 1995. – V.116. – No 1. – P.131135.

. Karakchieva, N. The influence of yttrium on the phase composition of the TiAl system obtained by ‘Hydride Technology’ / N. Karakhieva [et all] // Metals. – 2022. – V. 1481. – No. 12. – P. 113.

. Raghavan, V. AlDyTi (AluminumDysprosiumTitanium) / V. Raghavan // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2005. – No 26. – P. 178–179.

. Raghavan, V. AlHoTi (AluminumHolmiumTitanium) / V. Raghavan // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2005. – No 26. – P. 184185.

. Bulanova, M.V. Physicochemical materials research phase equilibria during solidification in the Ti–TiAl–DyAl2–Dy region of the Ti–Dy–Al system / M.V. Bulanova [et all] // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2014. – V. 52. – No 1112.

. Nazarova, T.I. Microstructure and mechanical properties of intermetallic γTiAl alloy alloyed with dysprosium / T.I. Nazarova [et all] // Letters on materials. – 2017. – V.7. – No 3. – P. 307311.

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