Ученые ТПУ исследовали влияние примеси алюминия на накопление и распределение водорода в магнии — перспективном материале-накопителе для хранения водорода. Для этого впервые были применены первопринципные (то есть опирающиеся на фундаментальные знания) расчеты электронной плотности по отношению к свойствам материала. Предложенный метод позволяет глубже, на атомарном уровне, понять механизмы «поведения» водорода в магнии при растворении в нем алюминия. Полученные данные в перспективе помогут улучшить свойства материалов-накопителей и сделать более эффективной технологию очистки, компримирования и хранения водорода.
Исследование проводится при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030». Результаты работы ученых опубликованы в Journal of Alloys and Compounds. Разработка эффективных способов очистки, компримирования и хранения водорода — важная задача в области развития и применения технологий водородной энергетики. Для этих целей широко применяются металлические гидриды и интерметаллические соединения. Одним из самых перспективных материалов-накопителей водорода является магний. Применение магния в чистом виде ограничено его низкой устойчивостью к многократным циклам гидрирования/дегидрирования и высокими температурами эксплуатации. Для улучшения эксплуатационных свойств магния используются каталитические добавки, в том числе алюминий.
Ученые ТПУ изучили механизмы накопления и распределения водорода в магнии под влиянием добавок алюминия. «Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям сорбции и десорбции водорода в магнии с алюминием, в литературе практически отсутствует информация о взаимодействии водорода с алюминием в решетке магния на атомарном уровне. Мы применили первопринципные методы исследования электронного строения твердых тел. Они позволяют изучить взаимодействие водорода с алюминием в зависимости от их концентрации в магнии и кристаллической структуры», — рассказывает доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Виктор Кудияров.
В рамках проекта политехники провели комплекс вычислений, после чего сопоставили расчеты с экспериментальными данными. На основе полученных результатов были установлены характерные особенности поведения водорода в системе магний-алюминий-водород в зависимости от ее состава и структуры. Используя эти данные, ученые описали механизмы сорбции и десорбции водорода, обусловленные наличием промежуточных фаз в процессе фазового перехода от твердого раствора водорода в магнии в гидрид магния.
«В зависимости от содержания водорода у магния может наблюдаться различная кристаллическая структура, фаза. Скорости диффузии, а также сорбции и десорбции сильно зависят от температуры и фазы системы магний-водород. При насыщении водородом чистого магния наблюдается только фазовый переход непосредственно из твердого раствора в гидрид магния. При добавлении атомов алюминия формируется промежуточная фаза, которая характеризуется более высокой скоростью перемещения водорода. Она сохраняется в процессе сорбции и десорбции достаточно долго в широком диапазоне концентрации водорода. Более высокая скорость перемещения водорода позволяет ему быстрее сорбироваться и десорбироваться», — поясняет доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Леонид Святкин.
Полученные результаты помогут усовершенствовать существующие материалы-накопители, а также разработать более эффективные технологии выделения водорода из смесей, его компримирования и хранения при высоких давлениях. «Создание технологических комплексов для водородной энергетики — важная задача, стоящая перед учеными и инженерами. Применение современных надежных и комплексных методов теоретического и экспериментального исследования позволяет углубиться в понимании механизмов взаимодействия водорода с каталитическими добавками в материалах-накопителях водорода и в дальнейшем, используя полученные фундаментальные знания, выполнить оптимизацию отдельных элементов комплексов на этапе их проектирования.
Результаты важны с точки зрения разработки оптимальных и эффективных решений, которые применяются при разработке комплексных систем на основе металлогидридов», — отмечает руководитель отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Андрей Лидер. На следующем этапе проекта ученые планируют изучить возможность применения других добавок для улучшения свойств материалов-накопителей на основе металлогидридов.