Потенциальные возможности аккумулирования водорода в твердотельных материалах

Исследован вариант водородного аккумулятора на основе электрохимических систем. В качестве основы был использован никель как материал, обладающий большей склонностью к поглощению водорода. Электрохимическим методом синтезированы композиты Ni_x-В_y-H(D)z, в которых, при увеличении содержания бора, происходит улучшение растворимости включаемого водорода. Бор - примесная ловушка для атомов водорода в электрохимических композитах Ni–B.

Проведен анализ данных, связанных с изучением внутреннего трения нитей чистого бора. Показано наличие низкотемпературных пиков внутреннего трения нитей бора. Проведено сопоставление характера температурной зависимости внутреннего трения для бора и температурной зависимости экстракции водорода из электрохимических систем Ni_x-B_y-H_z. Наличие релаксационных колебаний в структурах содержащих бор обуславливает свободное течение водорода из данных систем при комнатной температуре. Повышение концентрации бора в системе должно приводить к увеличению величины пика внутреннего трения и к его смещению в область более низких температур в отличие от чистого никеля.

В присутствии бора водородная проницаемость никеля редуцируется, так как в окрестности примеси замещения малого атомного радиуса – бора, встраивающегося в ГЦК решетку никеля, возникают напряжения растяжения, поэтому водород сегрегируется около бора с большим синергизмом, чем с никелем. Оценен потенциал взаимодействия атома водорода с примесной ловушкой, атомом бора - 0,42 эВ.

Обосновано влияние концентрации бора на структуру композитов никель-бор-водород. Повышение концентрации легирующего компонента бора в никеле увеличивает дисперсность и приводит к выравниванию микропрофиля поверхности и формированию структур наноразмерного диапазона.

Представлены результаты исследований кинетики десорбции водорода из электрохимических композитов Ni-B. Содержание водорода в образцах Ni_x-B_y-H_z (9 ат. % бора), измеренное по методу вакуумной экстракции, составило, 600 см³ /100 г, что значительно превышает соответствующее значение для электрохимического никеля ~100 см³ /100 г. Изучены спектры термодесорбции дейтерия из композитов Ni–B, предварительно имплантированных различными дозами ионов дейтерия при Т~100 К. Установлено, что структура спектра термодесорбции дейтерия является функцией имплантационной дозы. Содержание дейтерия для никеля соответствует соотношению Ni:D = 1:1, а для композита Ni₉₅B₅ [Ni₉₅:B₅] :D = 1:1,25. Для никеля формируется четко выраженный пик с температурой максимума 325 К. Для композита Ni–B спектр термодесорбции имеет размытый пик с температурой максимума 325 К и область десорбции дейтерия в диапазоне температур 250-500 К.

1. . Oudriss A., Creus J., Bouhattate J., Conforto E., Berziou C., Savall C., Feaugas X. Grain size and grain-boundary effects on diffusion and trapping of hydrogen in pure nickel. Acta Materialia, 2012. No. 60, pp. 6814-6828.

2. . Звягинцева А.В. Гибридные функциональные материалы, формирующие металлические структуры с оптимальной дефектностью для хранения водорода в гидридной форме /Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – Саров: Изд-во «Научно-технический центр «ТАТА», 2017. – Номер: 16-18 (228-230). - С. 89-103.

3. . Zvyagintseva A.V. Hydrogen permeability of nanostructured materials based on nickel, synthesized by electrochemical method /A.V. Zvyagintseva //Proceedings of the 2017 IEEE 7th International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties (NAP-2017). - IEEE Catalog Number: CFP17F65-ART, 2017. - Part 2 - 02NTF41-1-02NTF41-5.

4. . Звягинцева, А.В. Способность материалов на основе никеля наноразмерного диапазона к аккумулированию водорода /А.В. Звягинцева // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21. – С. 150–155.

5. . Звягинцева А.В., Шалимов Ю.Н. Особенности электрохимического образования Ni-B покрытий // Технология машиностроения. - Москва, 2008. - № 3. - С. 27-34.

6. . Schlapbach L, Züttel A. Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature. 2001; 414:353-8.

7. . Crabtree G W, Dresselhaus M S, Buchanan MV. (2004). The hydrogen economy. Physics Today. Dec; 57(12):39-44.

8. . Ohi J. Hydrogen energy cycle: An overview. J Mater Res 2005 Dec; 20(12):3180-7.

9. . Orimo S, Nakamura Y, Eliseo J.R, Züttela A, Jensen C.M. (2007) Complex Hydrides for Hydrogen Storage. Chem Rev. [107(10)], 4111-32.

10. . Jain I.P, Jain P, Jain A. (2010) Novel hydrogen storage materials: A review of lightweight complex hydrides. J Alloys Compd. [Aug 6; 503(2)], 303-39.

11. . Graetz J. (2009) New approaches to hydrogen storage. Chem. Soc. Rev. (38), 73-82.

12. . Rowsell J.L.C, Yaghi O.M. (2005) Strategies for Hydrogen Storage in Metal–Organic Frameworks. Angew Chem. Int. publ. (44), 4670-9.

13. . El-Kaderi HM, Hunt JR, Mendoza-Cortes JL, Cote AP, Taylor RE, O'Keeffe M, et al. (2007) Designed Synthesis of 3D Covalent Organic Frameworks. Science. (316), 268-72.

14. . Rosi NL, Eckert J, Eddaoudi M, Vodak DT, Kim J, O'Keeffe M, et al. (2003) Hydrogen Storage in Microporous Metal-Organic Frameworks. Science. (300), 1127-9.

15. . Berseth PA, Harter AG, Zidan R, Blomquist A, Araujo CM, Scheicher RH, et al. (2009) Carbon Nanomaterials as Catalysts for Hydrogen Uptake and Release in NaAlH4. Nano Lett. [9(4)], 1501-5.

16. . Li M, Li, Y, Zhou. Z, Shen. P, Chen. Z. (2009) Ca-Coated Boron Fullerenes and Nanotubes as Superior Hydrogen Storage Materials. Nano Lett. (9), 1944-8.

17. . Felderhoff M, Weidenthaler C, von Helmolt R, Eberle U. (2007) Hydrogen storage: the remaining scientific and technological challenges. Phys Chem Chem Phys. [Jun 7; 9(21)], 2643-53.

18. . Suzuki K., Fujimori H., Hashimoto K. (1987) Amorfnye metally.[Amorphous metals]. Moscow. Metallurgy publ. (in Russian), 328.

19. . Belov M.P., Isaev E.I., Vekilov Yu. Kh. (2010). Ab initio lattice dynamics of CoH and NiH. Journal of Alloys and Compounds, doi: 10.1016/j.jallcom.2010.09.164.

20. . Ghigo G., Roos B.O., Stancil P.C., Weck P.F. (2004) A theoretical study of the exited states of CrH: Potential energies, transition moments, and lifetimes. J. Chem. Phys. 121 (17), 8194-200.

21. . Звягинцева А.В., Гусев А.Л., Шалимов Ю.Н. Кинетика процессов электрохимического наводороживания металлов в присутствии бора /Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE), 2009. - № 4 (72). С. 20-27.

22. . Zvyagintseva A.V. Hybrid functional materials forming the metal structure with optimal imperfection for storage of hydrogen in hydride form /International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Т. 45. № 46. С. 24991-25001.

23. . Шалимов Ю.Н. Влияние тепловых и электрических полей на электрохимические процессы при импульсном электролизе. Дисс. на соискание ученой степени доктора технических наук, Иваново, ИГХТУ, 2007. 363 с.

24. . Звягинцева А.В. Структурные и примесные ловушки для точечных дефектов: монография/А.В. Звягинцева. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. 216 с.

25. . Soloveichik G.L. (2007) Metal Borohydrides as Hydrogen Storage Materials. Material Matters. 2 (2), 11-15.

26. . Шрейдер А.В. Водород в металлах. М.: Знание. 1979. - 63 с.

27. . Звягинцева А.В. Взаимосвязь структуры и свойств гальванических никелевых покрытий, легированных бором, в изделиях электронной техники //Гальванотехника и обработка поверхности. 2007. т. XV. №1. C. 16-22.

28. . Belkova N.V., Epstein L.M., Filippov O.A., Shubina E.S. (2016) Hydrogen and Dihydrogen Bonds in the Reactions of Metal Hydrides. Chem. Rev. 116 (15), 8545-8587.

29. . Бор: получение, структура и свойства: материалы IV Международного симпозиума по бору / [ред. кол.: Ф.Н. Тавадзе и др.]. - Москва: Наука, 1974. – 266 c.

30. . Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат, 1975. 376 с.

31. . Соболев А.С, Федоров Т.Ф. Диаграмма состояния системы никель-бор / «Изв. АН СССР. Неорганические материалы», 1967. Т. 3. № 4. С. 723-726.

32. . Тавадзе Ф.Н. Внутреннее трение в металлах и сплавах (обзоры). М.: «Наука», 1966. 244 с.

33. . Тавадзе Ф.Н., Цагарейшвили Г.В. Исследование внутреннего трения в кристаллическом боре. / Релаксационные явления в твердых телах (обзоры). М.: «Металлургия», 1968. 695 с. (C. 363-364).

34. . Блантер М.С., Пигузов Ю.В. и др. Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях. М.: Металлургия. 1991. 248 с.