Физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ разработали новый подход к созданию материалов водородной энергетики, основанный на управлении дефектной структурой и иерархической архитектурой материала. Подход позволяет перейти от традиционного подбора составов и добавок к проектированию материалов с заданными характеристиками хранения и транспорта водорода.
Одной из ключевых проблем водородной энергетики остается отсутствие физических принципов, связывающих структуру материалов с их функциональными свойствами. Несмотря на многолетние исследования, разработка металлогидридных систем в значительной степени опиралась на эмпирический подбор составов и последующую экспериментальную оптимизацию, тогда как механизмы влияния дефектной подсистемы на поведение водорода оставались фрагментарно описанными.
Для решения этой задачи ученые Томского политеха разработали новый подход на основе in situ позитронной аннигиляционной спектрометрии, позволяющий исследовать эволюцию дефектной структуры материалов непосредственно в процессе сорбции и десорбции водорода. Созданный исследовательский комплекс обеспечивает проведение экспериментов при давлениях до 5 МПа и температурах до 900 °C, приближая условия измерений к эксплуатационным режимам работы материалов. Результаты работы опубликованы в журнале Bulletin of Materials Science (Q3, IF: 2.1).
«Большинство существующих методов фиксируют состояние материала до и после взаимодействия с водородом, фактически исключая динамику процессов. В данном подходе мы наблюдаем эволюцию дефектной структуры в реальном времени и можем связать ее с кинетикой накопления и выделения водорода. Это принципиально меняет тип получаемых данных — от статических „снимков“ к описанию работающего материала», — отмечает соавтор исследования, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Роман Лаптев.
В качестве модельных объектов исследователи изучили серию композитов на основе гидрида магния с использованием различных добавок, ранее разработанных в ТПУ. Такие материалы рассматриваются как перспективные твердофазные системы хранения водорода благодаря высокой емкости и безопасности эксплуатации.
Предложенный учеными подход к исследованию материалов показал, что кинетика процессов хранения водорода определяется не только химическим составом, но и пространственно-временной организацией дефектов, интерфейсов и структурных неоднородностей на нескольких масштабных уровнях. Установлены механизмы действия углеродных наноструктур, металлоорганических каркасов, наноразмерных металлических добавок и интерметаллидных фаз, формирующих каналы ускоренного транспорта водорода и определяющих энергетический ландшафт его миграции.
В частности, добавление наноразмерного никеля приводит не только к каталитическому эффекту, но и к формированию устойчивых дефектных конфигураций и интерметаллидных фаз, которые радикально перестраивают кинетику переноса водорода и снижают энергетические барьеры его выделения и поглощения.
«На протяжении многих лет в области материалов для хранения водорода был накоплен значительный массив экспериментальных данных, однако отсутствовала связная картина, объясняющая роль различных добавок на уровне механизмов. В нашей работе удалось выявить эти механизмы и показать, что именно дефектная архитектура определяет кинетику процессов сорбции и десорбции. Это позволяет перейти от подбора компонентов к управляемому проектированию функционального поведения материалов», — говорит соавтор исследования, доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Виктор Кудияров.
Таким образом, работа устанавливает новый принцип материаловедения водородной энергетики: функциональные свойства определяются не составом и не набором добавок, а управляемой эволюцией дефектной архитектуры в рабочих условиях, что открывает переход к предсказательному проектированию систем хранения и транспорта водорода.