Розробка воденьсорбуючих матеріалів для їх практичного використання в енергетиці та новітніх технологіях в якості накопичувачів водню та катодів і анодів електрохімічної комірки

Схема волюмометрической установки, предназначенной для изучения изобарическим и изохорическим методами процессов термической десорбции водорода (ТДС) из металлогидридов при постоянном его давлении в реакторе в диапазоне 1 – 10 атм

Проект спрямовано на вирішення проблеми отримання для потреб водневої енергетики високоефективних матеріалів для зберігання водню, а саме гідридів магнієвих сплавів, що розкладаються при низьких температурах і при цьому володіють сполученням таких властивостей як висока воднева ємність і циклічна стійкість при швидкій кінетиці сорбції-десорбції водню. Тому за мету одного з напрямків робіт у проекті поставлено зниження термічної стабільності гідридних фаз механічних сплавів на основі Mg як шляхом вибору та оптимізації їх складу і умов отримання, так і шляхом їх механічного диспергування та легування.

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

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 і, в першу чергу, швидкої кінетики і низької температури повного виділення водню при тиску 1 атм. Для досягнення вказаного покращення характеристик отриманих матеріалів планується застосування новітніх методів синтезу (механічне та реактивне механічне сплавлення), а також процесів механічного диспергування та легування, 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. Буде проведено механосинтез сплавів на основі магнію з різним складом легуючих елементів, зокрема сплавів систем Mg-Al, Mg-Ti, Mg-Fe, Mg-Al-Ti, Mg-Al-Fe, Mg-Al-Ni, вибрано найбільш оптимальний склад сплавів та режимів їх синтезу, що забезпечують вказане покращення коплексу необхідних характеристик.

Очікувані властивості

Передбачається, що результати проведених в рамках проекту досліджень впливу різних легуючих елементів і різних умов синтезу на воденьсорбційні властивості, термічну стійкість та кінетику процесу десорбції водню з механічних сплавів-композитів на основі Mg дозволять удосконалити застосовані механохімічні способи одержання матеріалів для зберігання водню, оптимізувати склади та умови їх синтезу і покращити комплекс необхідних характеристик, що потребує практика ( водневу ємність та циклічну стійкість, кінетику сорбції-десорбції водню, термічну стійкість та температуру розкладу гідридної фази).

Переваги

Встановлено, що механічне легування магнію Al і 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 на протязі 10 год. вдається досягти більшої величини водневої ємності (6,57% мас.Н₂), ніж у випадку реактивного помелу 10 год. суміші Mg + 10%Al + 10% мас. Fe ( 3,5 % мас.Н₂). Після їх першого гідрування із газової фази (5,56% мас.Н₂ і 4,5% мас.Н₂ відповідно). Температура початку першої після синтезу десорбції Н₂ з гідридної фази MgH₂ обох механічних сплавів виявилась рівною 285°С

Конкуренти

Фізико-механічний інститут ім.Г.В.Карпенка,Львів
Department Mater.Scien.&Engineer.ZhejiangUniversity,China
Department Mater.Univer London, UK

Стан розробки

Досліджено вплив окремо кожного з легуючих елементів Al, Ti, Fe як на температуру розкладу, так і на кінетику десорбції водню з гідридної фази MgH₂ композитів, отриманих методом реактивного механічного сплавлення (зокрема помелом в середовищі водню під тиском 1,2 МПа сумішей Mg+10% мас.Al, Mg +10% мас.Ti, Mg +10% мас.Fe).
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. 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 фази MgH₂ з одночасним покращенням кінетики сорбції –десорбції з неї водню.
З застосуванням термодесорбційної спектроскопії при тиску водню 0,1 МПа досліджено воденьсорбційні характеристики, термічну стійкість та кінетику десорбції водню з отриманих МС; визначено енергію активації процесу десорбції з них Н₂.

Інтелектуальна власність

Публікації за результатами проведених в рамках проекту досліджень:

• О.Г. Єршова Дослідження впливу легування бором на десорбцію водню з механічних сплавів системи Mg-Fe–В–Н. Доповіді Національної академії наук України, (2011) № 12.С.2361-2368
• О.Г. Єршова, В.Д. Добровольський, О.Ю. Хижун, Ю.М. Солонін. XPS і TDS дослідження механізму впливу поверхні і легуючої домішки Ті на термічну стійкість і кінетику процесів десорбції водню з гідридної фази MgH₂ композитів, отриманих різними способами. Фізика і хімія твердого тіла, (2011) т.12, № 4 С. 1044-1051
• Єршова О.Г., Добровольський В.Д.,Солонін Ю.М. Механічні сплави Mg-Ме (Me= Al, Ti, Fe): дослідження воденьсорбційних властивостей, термічної стійкості та кінетики процесу десорбції водню.Фізика і хімія твердого тіла (2013, у друку)
• V.D. Dobrovolsky, О.G. Ershova, O.Y. Khyzhun, Y.M. Solonin.Influence of exposure to air and mechanical dispersion upon thermal stability and deco="100" height="130" hspace="50" vspace="20"

Контактна інформація

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

Проект №22 «Розробка воденьсорбуючих матеріалів на основі металогідридів та їх використання в якості акумуляторів водню та електродів для електрохімічних систем енергетичного спрямування»

Контактна особа