В ТПУ разработали улучшенный композит для безопасного хранения водорода

Новый материал-накопитель для безопасного хранения водорода на основе гидрида магния разработали ученые Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета (ТПУ), 26 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Для синтеза материала — накопителя водорода, томскими политехниками впервые были применены металлоорганические каркасные структуры на основе хрома, которые позволили улучшить накопительные свойства гидрида магния, в том числе снизить температуру выхода водорода.

Также впервые изученные ими закономерности изменения дефектной структуры композита в процессе сорбции и десорбции водорода, позволили оценить циклическую стабильность нового материала и выявить фундаментальные основы влияния состава композита на его взаимодействие с водородом.

Результаты исследования нового материала ученые представили в статье «Эволюция дефектной структуры в композите гидрид магния/металлоорганический каркас в условиях высокотемпературных процессов сорбции-десорбции водорода», опубликованной в Journal of Alloys and Compounds (Q1; IF: 6,371).

Если в классических системах хранения водорода он хранится в сжатом виде при высоком давлении, то в металлогидридных накопителях водород хранится в связанном химическом виде. Для его извлечения оттуда металлогидрид нагревают, в результате чего происходит десорбция водорода из металлогидрида.

Такой способ хранения водорода более безопасен и эффективен по сравнению с другими методами хранения, однако в случае использования в качестве материала-накопителя водорода гидрида магния, для его формирования и разложения требуется высокая температура, что существенно затрудняет его применение в системах накопления водорода.

Специалисты Инженерной школы ядерных технологий создали в качестве материала для накопителей водорода новый композит из гидрида магния и металлоорганических каркасных структур на основе хрома, который «работает» при более низких температурах. Для получения композита был использован метод механохимического синтеза в планетарных мельницах.

Доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Виктор Кудияров рассказал о достоинствах разработанного материала:

«Особенность данного подхода — в использовании металлоорганических каркасных структур с хромом. Мы подобрали оптимальные условия синтеза для получения необходимой структуры с заданными свойствами. Сорбция и десорбция водорода из гидрида магния происходит при температуре 400 °C. Созданный нами композит может работать в более низком диапазоне температур — ниже 260 °C».

Проведенное в рамках проекта исследование изменения дефектной структуры композита в процессе циклов сорбции и десорбции водорода позволило установить основные закономерности взаимодействия водорода с данным материалом.

Поскольку именно дефекты, которые существуют в структуре материала, способствуют быстрой диффузии водорода в объем частиц магния, то скорость их изменений в процессе сорбции и десорбции водорода, приводящих к исчезновению этих дефектов, определяет возможное число циклов зарядки-разрядки накопителя водородом.

«В Томском политехническом университете нами были разработаны уникальные методы изучения взаимодействия водорода с материалами-накопителями методами электронно-позитронной аннигиляции. Мы получили на исследовательском ядерном реакторе вуза короткоживущий изотоп меди, который испускает позитроны. Созданный нами источник позитронов на основе меди в отличие от стандартных источников на основе титана можно применять в агрессивных средах, например, греть в среде водорода», — рассказал профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Андрей Лидер.

Этот метод позволил определить в ходе экспериментов зависимость свойств и особенностей взаимодействия водорода с материалом-накопителем от изменения дефектной структуры композита.

Ученые установили структуру созданного ими композита, которая представляет собой тип «ядро-оболочка». Это означает, что наноразмерные частицы хрома служат оболочкой для ядра из частиц гидрида магния. Такая структура определяет основные свойства материала.

«Наночастицы хрома, с одной стороны, оказывают каталитический эффект. Проникновение водорода в композит происходит не через поверхность магния, а через частицы хрома, поскольку для взаимодействия с ним требуется меньше энергии. Это связано с тем, что происходит снижение энергии диссоциации молекул водорода. С другой стороны, дефекты, сформированные в гидриде магния при совместной механохимической обработке с металлоорганическими каркасными структурами на основе хрома, способствуют улучшению сорбционных и десорбционных свойств композита», — указал доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Роман Лаптев.

В своих дальнейших исследованиях, направленных на улучшение свойств нового композита, ученые будут искать пути для дальнейшего понижения температуры, при которой он будет работать в накопителях водорода.