Oсобенности изучения систем атомарный водород – металл

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.

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.