Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Композитні металогідридні матеріали для фотоелектрохімічного отримання та акумулювання водню та його зберігання в стаціонарних умовах

Основна мета наукових досліджень за проектом є розробка гідридних матеріалів – накопичувачів водню із заданими воденьсорбційними властивостями, а також гідридоутворюючих матеріалів, що легко активуються у м’яких умовах і характеризуються швидкою кінетикою гідрування – дегідрування.
Конкретним практичним та важливим результатом роботи по Проекту у даному напрямку будуть рекомендації по складам та технологіям виготовлення матеріалів для збереження водню на основі магнію та його сплавів, що забезпечують їх оптимальну роботу в системі при заданих споживачем інтервалах температур та тисків водню.

Області застосування

Область застосування воденьсорбуючих матеріалів, що будуть створені в результаті виконання проекту-воднева енергетика Передбачається також використання розроблюваних гідридоутворюючих матеріалів на основі магнію та його сплавів в лабораторних стаціонарних установках для термодесорбційних досліджень, у високотемпературних модулях перетворювачів енергії і гідридних теплових насосів, тощо.

Короткий опис

Буде проведено механосинтез сплавів на основі магнію з різним складом легуючих елементів, зокрема сплавів систем Mg-Si-Ti, Mg-Si-Fe, вибрано найбільш оптимальний склад сплавів та режимів їх синтезу.
В частині проекту, яка присвячена розробці методів отримання та покращення властивостей воденьсорбуючих матеріалів для зберігання водню на основі сплавів магнію, планується проведення досліджень, спрямованих на отримання притаманого вказаним матеріалам комплексу характеристик, необхідних для їх практичного застосування в якості акумуляторів водню: швидкої кінетики і низької температури повного виділення водню при тиску 1 атм. Для досягнення вказаного покращення характеристик отриманих матеріалів планується застосування новітніх методів синтезу, а також процесів механічного диспергування та легування, в частності Si-Ti-Fe, що дозволяють через вплив на електронні та термодинамічні властивості змінювати і формувати необхідні воденьсорбуючі властивості і термічну стабільність гідридних фаз, необхідний хімічний стан поверхні останніх.

Очікувані властивості

З врахуванням вимог практики до акумуляторів водню стаціонарного призначення розробити нанокомпозитний матеріал для зберігання водню на основі Mg з каталітичними домішками (Ti, Si, Fe), що здатний накопичувати не менше 6% ваг. водню і володіє покращеною кінетикою гідрування-дегідрування та зниженою термічною стійкістю і температурою розкладу утворених гідридних фаз Mg(Me)H₂.

Переваги

Встановлено, що механічне легування магнію Al,Ni,Ti забезпечує кращі воденьсорбційні характеристики та кінетику десорбції водню з гідридної фази MgH₂ механічного сплаву-композиту ніж легування Al і Fe. Встановлено, що в результаті реактивного помелу суміші Mg + 10 % мас. Al + 10%мас.Ti ; Mg + 10 % мас. Al + 10% мас. Ni протягом 10 годин вдається досягти більшої величини водневої ємності (6,57% мас.Н₂ ; 5,57%мас Н₂), ніж у випадку реактивного помелу 10 год. суміші Mg + 10 % мас.Al + 10 % мас. Fe (3,5 % мас.Н₂). Температура початку першої після синтезу десорбції Н₂ з гідридної фази MgH₂ обох механічних сплавів виявилась рівною 285 °С. Температура початку десорбції водню з гідридної фази сплава, який отримано помелом суміші Mg + 10 % мас. Al +21%мас.Ni в атмосфері Ar, після 1-го гідрування -250 °С при тиску водню в реакторі 1 атм. Встановлено, що в результаті реактивного помелу 20 годин суміші Mg + 5 мас%. Si + 5% мас.% Ti + 2 мас% воднева ємність сплаву становить 5,58 мас.% . Температура початку 1-й десорбції водню - 260 °C (PH₂ в реакторі = 1 бар).

Конкуренти

Department Mater.Univer London, UK
Course in Materials Science &Chemistry, Tokai University, Numazu, Japan
Department Mater.Scien.&Engineer.ZhejiangUniversity,China

Стан розробки

Встановлено ефект зниження температури та покращення кінетики десорбції Н₂ з гідридної фази MgH₂ сплаву, що отримано реактивним помелом завдяки механічному легуванню магнію в процесі його помелу в атмосфері водню одночасно Al і Ti, Al і Fe, Ti і Si. Досліджено персональний внесок Al в зниження термічної стійкості та температури розкладу гідридної фази MgH₂ механічного сплаву Mg + 10% мас.Al, яку отримували за різних умов гідрування. Результати вказаних досліджень дозволяють вибрати той склад легуючих елементів і умови отримання механічного сплаву, які забезпечують максимально низьку термічну стійкість і температуру розкладу його гідридної фазиMgH₂ з одночасним покращенням кінетики сорбції –десорбції з неї водню.
З застосуванням термодесорбційної спектроскопії при тиску водню 0,1МПа досліджено воденьсорбційні характеристики, термічну стійкість та кінетику десорбції водню з отриманих МС; визначено енергію активації процесу десорбції з них Н₂.

Інтелектуальна власність

1. Ershova O.G., Dobrovolsky V.D., SoloninY. M., Khyzhun O.Yu, Koval A.Yu. The effect of Al on thermal stability and kinetics of decomposition of MgH2 prepared by mechanochemical reaction at different conditions // Materials Chemistry and Physics. – 2015. – 162. – p.408 – 416.

Добровольський В.Д., Єршова О.Г., СолонінЮ.М., Коваль А.Ю. Термічна стабільність та кінетика десорбції водню з гідридної фази MgН₂ механічного сплаву Mg +10 % ваг. Al +10 % ваг. Ti // Відновлювана енергетика IBE. - 2015. – 3. – С. 5 -12.

Єршова О.Г., Добровольський В.Д., Солонін Ю.М., Коваль А.Ю. Вплив домішок Al та Fe на термодинамічну стабільність та кінетику десорбції водню з гідридної фази MgН₂ механічного сплаву // Фізика і хімія твердого тіла. - 2015. – 16 (3). - С. 576-585.

Ershova O.G., Dobrovolsky V.D., SoloninY. M., Khyzhun O.Yu, Koval A.Yu. The effect of Al on thermal stability and kinetics of decomposition of MgН₂ prepared by mechanochemical reaction at different conditions // Materials Chemistry and Physics. – 2015. – 162. – p.408 – 416.

Добровольський В.Д., Єршова О.Г., Солонін Ю.М. Механічні сплави Mg-Me (Me: Ti, Fe, Ni, Al) та Mg-Me₁-Me₂ з пониженою термічною стійкістю та покращеною кінетикою гідрування-дегідрування для їх використання в акумуляторах водню. Монографія Київ- 2015. - С.- 139 -149.

Dobrovolsky V.D., Ershova O.G., Solonin Yu. M., Khyzhun O.Y. Influence of titanium and iron additives to magnesium upon hydrogen-sorption properties, thermal stability and kinetics of hydrogen desorption from MgH₂

Dobrovolsky V.D., Ershova O.G., Solonin Yu. M. Thermal Resistance and the Kinetics of Hydrogen Desorption from Hydrides of the Mg–Al–Ni–Ti Mechanical Alloy //Materials Science. – 2016. - 51(4), 457-464, DOI 10.1007/s11003-016-9862-z

Контактна інформація

Виконавець: Інститут проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України

Проект №15 «Композитні металогідридні матеріали для фотоелектрохімічного отримання та акумулювання водню та його зберігання в стаціонарних умовах»

Контактна особа:

Teл. +38 044 424-03-91

Е-mail: dobersh@ipms.kiev.ua