Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Oсобенности изучения систем атомарный водород – металл

https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.13-15.62-87

Полный текст:

Аннотация

Все основные направления развития энергетики предполагают или уже реализуют применение систем «металл – водород». Для атомной энергетики это связано с созданием термостабильных замедлителей и конструкционных материалов специального назначения, для термоядерной энергетики – с поведением так называемой первой стенки термоядерных реакторов, для водородной энергетики – с хранением, транспортировкой и извлечением водорода. Водород является наиболее эффективным замедлителем быстрых и тепловых нейтронов, особенно при высокой объемной концентрации в материале атомов водорода, то есть при высоком значении отношения количества атомов водорода к числу атомов металла с учетом термостойкости гидрида. В работе рассмотрены современные методы экспериментальных исследований гетерогенных реакций, то-похимия реакций «металл – водород», зависимость скорости взаимодействия от давления и температуры, об-суждены модели поверхностных процессов, протекающих при взаимодействии водорода с металлом. Анализировались методы определения вероятности адсорбции водорода на поверхности металла, методы измерения энергии активации диссоциации молекулы водорода на поверхности. В работе описаны особенности подготовки реактора, экспериментальных образцов и методика их исследования при изучении систем «атомарный водород – металл», метод плазмохимической термогравиметрии, который применяется для исследования гетерогенных реакций, протекающих в водородной плазме безэлектродного тлеющего разряда. Для изучения механизма взаимодействия водорода с гидридообразующими металлами предлагается кинетический метод исследования. Суть кинетического метода заключается в том, что исключение лимитирующего влияния поверхностных и диффузионных процессов на скорость гидридообразования при использовании атомарного водорода и металлической фольги позволяет непосредственно по кинетическим кривым взаимодействия «металл – водород» фиксировать момент образования соответствующих фаз и оценивать содержание в них водорода с помощью термогравиметрии, а также изучать влияние различных параметров на скорость взаимодействия и образования гидридных фаз.

Об авторах

Д. В. Щур
Институт проблем материаловедения НАН Украины
Украина

Дмитрий Викторович Щур - кандидат химических наук, заведующий отделом № 67 «Водородного материаловедения и углеродных наноструктур»

д. 3, ул. Кржижановского, Киев, 03142



С. Ю. Загинайченко
Институт проблем материаловедения НАН Украины
Украина

Светлана Юрьевна Загинайченко - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела № 67

д. 3, ул. Кржижановского, Киев, 03142



А. Везироглу
Международная ассоциация по водородной энергетике
Соединённые Штаты Америки

Айфер Везироглу - доктор наук, исполнительный вице-президент и финансовый директор Международной ассоциации по водородной энергетике (IAHE), член ряда научных организаций

5794 SW 40 # 303, Майами, Флорида, 33155



Т. Н. Везироглу
Международная ассоциация по водородной энергетике
Соединённые Штаты Америки

Турхан Н. Везироглу - доктор наук (теплообмен), профессор, президент Международной ассоциации водородной энергетики, член 18 научных организаций  

5794 SW 40 # 303, Майами, Флорида, 33155



А. Д. Золотаренко
Институт проблем материаловедения НАН Украины
Украина

Александр Дмитриевич Золотаренко - кандидат химических наук, старший научный сотрудник

д. 3, ул. Кржижановского, Киев, 03142



М. Т. Габдуллин
Казахско-Британский технический университет (КБТУ); Национальная нанотехнологическая лаборатория (ННЛОТ, КазНУ им. аль-Фараби)
Казахстан

д. 71, пр. аль-Фараби, Алматы, 050040, 



Т. С. Рамазанов
Национальная нанотехнологическая лаборатория (ННЛОТ, КазНУ им. аль-Фараби)
Казахстан

Тлек Сабитович Рамазанов - академик НАН РК, доктор физико-математических наук, профессор, проректор по научно-инновационной деятельности КазНУ имени аль- Фараби

д. 71, пр. аль-Фараби, Алматы, 050040



Ал. Д. Золотаренко
Институт проблем материаловедения НАН Украины
Украина
Алексей Дмитриевич Золотаренко - кандидат химических наук, cтарший научный сотрудник отдела № 67 «Водородного материаловедения и углеродных наноструктур»

д. 3, ул. Кржижановского, Киев, 03142


Ан. Д. Золотаренко
Институт проблем материаловедения НАН Украины
Украина

Анатолий Дмитриевич Золотаренко

д. 3, ул. Кржижановского, Киев, 03142



Список литературы

1. Кривоглаз, М.А. Растворимость в упорядочивающихся сплавах. I / М.А. Кривоглаз // Журн. техн. физ. – 1954. – Т. 24. – Вып. 6. – С. 1077–1089.

2. Кривоглаз, М.А. Растворимость в упорядочивающихся сплавах. II / М.А. Кривоглаз // Физ. мет. и металловед. – 1955. – Т. 1. – Вып. 3. – С. 393–403.

3. Френкель, Я.И. Статистическая физика / Я.И. Френкель. – Москва: Изд-во АН СССР, 1938.

4. Матысина, З.А. Влияние давления на растворимость в упорядочивающихся сплавах / З.А. Матысина // Укр. физ. журн. – 1969. – Т. 14. – № 10. – С. 1638–1642.

5. Матысина, З.А. Влияние объемных эффектов на растворимость в упорядочивающихся сплавах / З.А. Матысина, Э.А. Матысина // Укр. физ. журн. – 1969. – Т. 14. – № 10. – С. 1643–1646.

6. Матысина, З.А. Влияние объемных эффектов на растворимость в упорядоченных сплавах внедре-ния / З.А. Матысина // Изв. вузов СССР. Физика. – 1971. – № 10. – С. 89–93.

7. Матысина, З.А. Влияние давления на растворимость атомов внедрения в упорядочивающихся сплавах / З.А. Матысина // Укр. физ. журн. – 1972. – Т. 17. – № 1. – С. 9–13.

8. Вяткин, А.Ф. Влияние магнитного упорядочения на растворимость водорода в чистом никеле / А.Ф. Вяткин [и др.] // Журн. физ. хим. – 1983. – Т. 57. – № 2. – С. 419–422.

9. Швецов, Н.И. Коэффициенты диффузии, про-никновения и растворимости водорода в железо – никелевых сплавах / Н.И. Швецов [и др.] // Физика металлов и их соединений. Свердловск. – 1974. – Вып. 1. – С. 3–9.

10. Шаповалов, В.И. Об аномалии растворимости водорода в ферромагнитных металлах вблизи температуры Кюри/ В.И. Шаповалов, Л.В. Бойко // Физ. мет. и металловед. – 1983. – Т. 55. – Вып. 5. – С. 1220–1221.

11. Nishizawa, T. Thermodynamic analysis of solubility and miscibility gap in ferromagnetic alpha iron alloys / T. Nishizawa [and et al.] // Acta Metallurg. – 1979. – Vol. 27. – No. 5. – P. 817-828.

12. Takayama, J. Effect of magnetic transition on the solubility of alloying elements in BCC iron of FCC cobalt / J. Takayama [et al.] // Trans. Jap. Instit. Met. – 1981. – Vol. 22. – No. 5. – P. 315–325.

13. Miodownic, A.P. The effect of magnetic trans-formations on phase diagrams / A.P. Miodownic // Bull. Alloys. Phase Diagrams. – 1982. – Vol. 2. – No. 4. – P. 406–412.

14. Загинайченко, С.Ю. Растворимость атомов внедрения в упорядочивающихся сплавах с гексагональными структурами типами AB и AB3 / С.Ю. Загинайченко, З.А. Матысина // Упорядочение атомов и свойства сплавов. – Киев: Наукова думка, 1979. – С. 218–222.

15. Матысина, З.А. Растворимость и атомный порядок в сплавах внедрения с гексагональной решеткой / З.А. Матысина, С.Ю. Матысина // Физика твердого тела и металлофизика. – Алма-Ата. – 1979. – Т. 1. – С. 116–118.

16. Матысина, З.А. Атомный порядок и свойства сплавов / З.А. Матысина. – Днепропетровск: Изд. ДГУ, 1981. – 112 с.

17. Загинайченко, С.Ю. Примесь внедрения в сплавах структуры B81 и B31 / С.Ю. Загинайченко [и др.] // Физ. мет. и металловед. – 1982. – Т. 54. – Вып. 4. – С. 636–643.

18. Загинайченко, С.Ю. Растворимость и корреляция в сплавах со структурой B19 / С.Ю. Загинайченко [и др.] // Изв. вузов СССР. Физика. – 1982. – № 1. – С. 17–24.

19. Кривоглаз, М.А. Влияние образования комплексий на растворимость атомов в кристаллах / М.А. Кривоглаз // Физ. мет. и металловед. – 1984. – Т. 7. – вып. 6. – С. 1057-1062.

20. Jons, T.G. Solubility of hydrogen in solid Ni-Co and Ni-Cu alloys / T.G. Jons, R.D. Pehlke // Met. Trans. – 1971. – Vol. 2. – No. 9. – P. 2655–2663.

21. Mc Quillan, A.D. Interpretation of hydrogen solutions in carly transition metals / A.D. Mc Quillan // J. Chem. Phys. – 1970. – Vol. 53. – No. 1. – P. 151–164.

22. Jones, D.W. Correlation between magnetic susceptibility and hydrogen solubility in alloys of early-transition elements / D.W. Jones [et al.] // Phys. Mag. – 1964. – Vol. 6. – No. 63. – P. 455–459.

23. Isenberg, I. The ionisation of hydrogen in metal / I. Isenberg // Phys. Rev. – 1950. – Vol. 79. – No. 4. – P. 736–737.

24. Машаров, С.Н. Особенности растворимости водорода в ферромагнитных металлах / С.Н. Маша-ров [и др.] // Физика металлов и их соединений. – Свердловск, 1974. – Вып. 1. – С. 11–16.

25. Mintz, M.H. Evaluation of the kinetics and mechanisms of hydriding reactions / M.H. Mintz, J. Bloch // Progress in Solid State Chemistry. – 1985. – Vol. 16. – No. 3. – P. 163–194.

26. Fromhold, A.T. Theory of metal oxidation. Fundamentals / Fromhold A.T. – North-Holland, 1976. – Vol. 1. – 269 p.

27. Mueller, W.M. Metal hydrides / W.M. Mueller, J.P. Blackledge, G.G. Libowitz. – New York, – London: Academic Press, 1968. – 368 p.

28. Алефельд, Г. Водород в металлах / Г. Алефельд [и др.]. – Москва: «Мир», 1981. – Т. 1. – 476 с.; – Т. 2. – 432 с.

29. Bloch, J. Types of hydride phase development in bulk uranium and holmium / J. Bloch, M.H. Mintz // J. Nucl. Mater. – 1982. – Vol. 110.  P. 251–261.

30. Bloch, J. Model for hydrogen chemisorption on transition metal surfaces / J. Bloch [and et al.] // J. Less-Common Metals. – 1984. – Vol. 102. – No. 2.  P. 311–324.

31. Fromm, E. Effect of oxygen sorption layers on the kinetics of hydrogen absorption by tantalum AT 77-700 К E. Fromm, H. Uchida // Ibid. – 1979. – Vol. 66. – No. 1. – P. 77–81.

32. Uchida, H. Kinetics of hydrogen absorption by titanium, tantalum, tungsten, iron and palladium films with and without oxygen preabsorption at 300 К / H. Uchida, E. Fromm // Ibid. – 1983. –Vol. 95. – No. 2. – P. 139–148.

33. Fromm, E. Thermodynamics and kinetics of hydrogen absorption in amorphous Ni-Zr -alloys / E. Fromm, H.G. Wuiz // Ibid. – 1984. – Vol. 101. – No. 2. – P. 469–482.

34. Брытов, Й.А. Исследование поверхности ЭОС / Й.А. Брытов [и др.] // Поверхность. – 1982. – No. 11. – С. 105–111.

35. Mintz, M.H. Time-of-flight analysis of direct recoils applied to the study of hydrogen-metal interactions / M.H. Mintz, J.A. Schultz // J. Less-Common Metals. – 1984. – Vol. 103. – No. 2. – P. 349–358.

36. Kruger, J. The H-Me (hydrogen-metal) systems / J. Kruger // Corrosion. – 1966. – Vol. 22. – No. 1. – P. 88–96.

37. Bloch, J. The initial kinetics of uranium hydride formation studied bу a hotstage microscope technique / J. Bloch [and et al.] // J. Less-Common Metals. – 1984. – Vol. 103. – No. 1. – P. 163–171.

38. Bloch, J. Kinetics and mechanism of the U-H reaction / J. Bloch, M.H. Mintz // Ibid. – 1981. – Vol. 81. – No. 2. – P. 301–308.

39. Satterthwaite, C.B. Preparation, electrical and superconducting properties of massive Th4H15 / C.B. Satterthwaite, B.T. Peterson // Ibid. – 1972. – Vol. 26. – No. 2. – P. 361–370.

40. Flanagan, Т.В. Hydrogen in metals / Т.В. Flanagan // Hydrides for energy storage: Proc. of the Intern. Symp. on hydrides for energy storage, Geilo, May 23–27, 1977. – Oxford: Pergamon. 1978. – P. 135–150.

41. Mintz, M.H. A kinetics model for hydrogen-metal reactions controlled by a phase transformation step / M.H. Mintz, J. Bloch // J. Ghem. Physics. – 1983. –Vol. 78. – No. 11. – P. 6569–6583.

42. Pick, M.A. A model for atomic hydrogen-metal interactions – application to recycling, recombination and permeation / M.A. Pick, K. Sonnenberg // J. Nucl. Mater. – 1985. – Vol. 131. – No. 2. – P. 208–220.

43. Martin, A.J. Model for hydrogen chemisorption on transition metal surfaces / A.J. Martin // Surface Science. – 1978. – Vol. 74. – No. 2. – P. 479–496.

44. Hayward, D.O. Ghemosorption / D.O. Hayward, B.M. Trapnell. – London: Butterworths, 1964. – 91 p.

45. Tompkins, F.G. Chemisorption of gases on metals / F.G. Tompkins. – London: Academic Press, 1978. – 176 p.

46. Taylor, J.B. The evaporation of atoms, ions and electrons from caesium films on tungsten / J.B. Taylor, I. Langmuir // Phys. Rev. – 1933. – Vol. 44. – P. 423–458.

47. Norskov, J.K. Point deffect diffusion in -Zr / J.K. Norskov [et al.] // Surface Science. – 1984. – Vol. 137. – No. 1. – P. 65–77.

48. Balooch, M. Molecular beam study of the apparent activation barrier associated with adsorption and desorption of hydrogen on copper / M. Balooch [et al.] // Ibid. – 1974. – Vol. 46. – No. 2. – P. 358–392.

49. Winkler, A. Adsorption kinetics for hydrogen adsorption on nickel and coadsorption of hydrogen and oxygen / A. Winkler, K.D. Rendulic // Ibid. – 1982. – Vol. 118. – No. 1/2. – P. 19–31.

50. Pick, M.A. The kinetics of hydrogen absorption-desorption by metals / M.A. Pick // Metal Hydrides, 1980: Proc. NATO Adv. study Inst., Rhodes, June 17–27, 1980. – Rhodes: N.Y. Plenum. 1981. – P. 329–343.

51. Pick, M.A. / M.A. Pick [et al.] // Phys. Rev. Letters. – 1979. – Vol. 43. – P. 286–293.

52. Pick, M.A. Uptakes rates for hydrogen by niobium and tantalum : effect of thin metallic overlayers / M.A. Pick, M.G. Greene // J. Less-Common Metals. – 1980. – Vol. 73. – No. 1. – P. 89–102.

53. Ко, E.L. Effects of adssorbed carbon and oxygen on the chemisorption of H2 and Co on Mo (100) / E.L. Ко, R.J. Madix // Surface Science. – 1981. – Vol. 109. – No. 1. – P. 221–238.

54. Benziger, J.F. The coadsorption of Co and H2 on Fe (100) / J.F. Benziger, R.J. Madix // Ibid. – 1982. – Vol. 115. – No. 2. – P. 279–289.

55. Kiskinovar, M. Modification of chemisorption properties bу electronegative adatoms: H2 and CO on chlorided, sulfided and phosphided Ni (100) / M. Kiskinovar, D.W. Goodman // Surface Science. – 1981. – Vol. 109. – No. 1. – P. 64–76.

56. Dabiri, A.E. Spacial and speed distribution of H2 and D2 desorbed from a polycrystalline nickel surface / A.E. Dabiri [et al.] // Ibid. – 1971. – Vol. 26. – No. 2. – P. 522–544.

57. Comsa, G. Past denterium molecules desorbing from metals / G. Comsa [et al.] // Ibid. – 1980. – Vol. 95. – No. 1. – P. L210–L216.

58. Лившиц, А.И. Взаимодействие пучка атомов дейтерия с палладиевой перегородкой / А.И. Лившиц [и др.] // Журн. техн. физики. – 1976. – Т. 46. – № 7. – С. 1490–1500.

59. Лившиц, А.И. Сверхпроницаемость в системе атомарный водород-никель / А.И. Лившиц // Письма в Журн. техн. физики. – 1977. – Т. 3. – № 12. – С. 576–580.

60. Лившиц, А.И. Сверхпроницаемость в системе атомарный водород – армко-железо / А.И. Лившиц [и др.] // Журн. техн. физики. – 1978. – Т. 4. – № 8. – С. 476–479.

61. Лившиц, А.И. Сверхпроницаемость ниобиевой перегородки по атомам и ионам водорода А.И. Лившиц, М.Е. Ноткин // Журн. техн. физики. – 1981. – Т. 7. – № 23. – С. 1417–1420.

62. Лившиц, А.И. Достижение предельных значений коэффициента прилипания и вероятности проникновения в системе водород-палладиевая перегородка / А.И. Лившиц, A.A. Самарцев // Журн. техн. физики. – 1979. – Т. 49. – № 11. – С. 2433–2436.

63. Anikina, N.S. Spectrophotometric Analysis of C60 and C70 Fullerences in the Toluene Solutions / N.S. Anikina [et al.] // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials, Springer. – 2006. – Vol. 172. – P. 207–216.

64. Zolotarenko, A.D. Effect the nature of the reactor wall material on morphology and structure of products resulted from arc graphite sputtering / A.D. Zolotarenko [et al.] // Proc. of 8th International Conference ―Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials‖, Sudak. – 2003. – P. 422–423.

65. Schur, D.V. Method for synthesis of carbon nanotubes in the liquid phase.Extended Abstracts / D.V. Schur, A.G. Dubovoy, Zaginaichenko S.Yu. // An International Conference on Carbon Providence (Rhode Island, USA): American Carbon Society. – 2004. – P. 196–198.

66. Матысина, З.А. Порядки различного типа в кристаллах и фазовые превращения в углеродных материалах / З.А. Матысина, С.Ю. Загинайченко, Д.В. Щур. – Монография. Днепропетровск: Наука и образование, (Laboratory 67), 2005; 524 с.

67. Matysina, Z.A. / Z.A. Matysina, S.Y. Zaginaichenko, D.V. Schur // International Journal of Hydrogen Energy. – 1996. – Vol. 21. – No. 11–12. – P. 1085–1089.

68. YM Lytvynenko, DV Schur Utilization the concentrated solar energy for process of deformation of sheet metal Renewable energy. – 1999. – Vol. 16. – No. 1–4. – P. 753–756.

69. Schur, D.V. Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems / D.V. Schur [et al.] // NATO Science Series.

70. Hampton, M.D. Hydrogen Materials Science and Chemistry of Metal Hydrides / M.D. Hampton [et al.] // Springer Science & Business Media.

71. Zaginaichenko, S.Y. The peculiarities of carbon interaction with catalysts during the synthesis of carbon nanomaterials / S.Y. Zaginaichenko, D.V. Schur, Z.A. Matysina // Carbon. – 2008. – Vol. 41. – No. 7. – P. 1349–1355.

72. Zaginaichenko, S.Y. The influence of nitrogen, oxygen, carbon, boron, silicon and phosphorus on hydrogen solubility in crystals / S.Y. Zaginaichenko, Z.A. Matysina, D.V. Schur // International Journal of Hydrogen Energy. – 1996. – Vol. 21. – No. 11–12. – P. 1073–1083.

73. Shul’ga, Y.M. On the thermal decomposition of the C60D19 deuterium fullerite / Y.M. Shul’ga [et al.] // Physics of the Solid State. – 2002. – Vol. 44 – No. 3. – P. 545–547.

74. Schur, D.V. Protection of Securities by the Ap-plication of Fullerenes. / D.V. Schur [et al.] // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. – 2003. – P. 203–206.

75. Аникина, Н.С. Идентификация эндоэдральных металлофуллеренов методом UV-VIS- спектроскопии. / Н.С. Аникина [и др.] // Труды IX Международной конференции ―Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов‖, Севастополь. – 2005. – P. 848–849.

76. Головко, Э.И. Дериватографическое исследование продуктов дугового испарения, полученных на различных подложках / Э.И. Головко [и др.] // Труды IX Международной Конференции ―Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов‖, Севастополь. – 2005. – P. 627–629.

77. Аникина, Н.С. Определение величины соотношения фуллеренов С60 и С70 методом абсорбционной спектроскопии. / Н.С. Аникина [и др.] // Тру-ды IX Международной Конференции ―Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов‖, Севастополь. – 2005. – P. 557–558.

78. Anikina, N.S. The role of chemical and physical properties of C60 fullerene molecules and benzene derivatives in processes of C60 dissolving. / N.S. Anikina [et al.] // Proceedings of 10th International Conference ―Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials‖, Sudak. – 2007. – P. 680–681.

79. Anikina, N.S. On the donor-acceptor mechanism of C60 fullerene dissolving in aromatic hydrocarbons. / N.S. Anikina [et al.] // Proceedings of 10th International Conference ―Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials‖, Sudak. – 2007. – P. 676–679.

80. Rogozinskaya, A.A. Structure of hydrogenated fullerite. / A.A. Rogozinskaya [et al.] // Proceedings of X International Conference Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials‖, Sudak. – 2007. – P. 554–555.

81. Schur, D.V. Synthesis of carbon nanostructures in gaseous and liquid medium. / D.V. Schur [et al.] // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. Springer Netherlands. – 2007. – P. 199–212.

82. Schur, D.V. Niobium as a construction material for a hydrogen energy system / D.V. Schur [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 1995. – Vol. 20 – No. 5. – P. 405–407.

83. Isayev, K.B. Study of thermophysical properties of a metal-hydrogen system / K.B. Isayev, D.V. Schur // International Journal of Hydrogen Energy. – 1996. – Vol. 21 – No. 11–12. – P. 1129–1132.


Для цитирования:


Щур Д.В., Загинайченко С.Ю., Везироглу А., Везироглу Т.Н., Золотаренко А.Д., Габдуллин М.Т., Рамазанов Т.С., Золотаренко А.Д., Золотаренко А.Д. Oсобенности изучения систем атомарный водород – металл. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2019;(13-15):62-87. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.13-15.62-87

For citation:


Schur D.V., Zaginaichenko S.Y., Veziroglu A., Veziroglu T.N., Zolotarenko A.D., Gabdullin M.T., Ramazanov T.S., Zolotarenko A.D., Zolotarenko A.D. Features of Studying Atomic Hydrogen – Metal Systems. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2019;(13-15):62-87. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.13-15.62-87

Просмотров: 115


ISSN 1608-8298 (Print)