Исследование проводилось при поддержке федеральной программы Минобрнауки «Приоритет 2030». Результаты работы ученых опубликованы в Journal of Alloys and Compounds (Q1; IF:6,371).
В отличии от классических систем хранения водорода, в которых водород хранится в сжатом виде при высоком давлении, в металлогидридных системах хранения водород хранится в связанном химическом виде в металлогидридном материале. Когда водород необходимо извлечь из накопителя, металлогидрид нагревают, за счет чего водород десорбируется из металлогидрида.
Металлогидридное хранение водорода более безопасное и эффективное по некоторым показателям по сравнению с другими методами хранения. Однако у применения гидрида магния в качестве материала-накопителя водорода есть существенный недостаток: гидрид магния является стабильным химическим соединением, его формирование и разложение происходит при высоких температурах. Это ограничивает и затрудняет его применение в системах накопления водорода.
Ученые Инженерной школы ядерных технологий синтезировали новый композит для материалов-накопителей, который «работает» при более низких температурах. Композит был получен методом механохимического синтеза в планетарных мельницах из гидрида магния и металлоорганических каркасных структур на основе хрома.
«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», — поясняет доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Виктор Кудияров.
Также в рамках работы ученые изучили изменение дефектной структуры композита в процессе циклов сорбции и десорбции водорода. Это позволило выявить основные закономерности взаимодействия водорода с материалом, показать какие дефекты есть в материале и как они меняются в процессе сорбции и десорбции. Это важно, поскольку накопление дефектов ограничивают число циклов зарядки-разрядки 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 отличии от стандартных источников на основе титана можно применять в агрессивных средах, например, греть в среде водорода. Это позволило изучить в ходе экспериментов как изменение дефектной структуры композита влияет на свойства и особенности взаимодействия водорода с материалом-накопителем», — комментирует профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Андрей Лидер.
В ходе экспериментов ученые выяснили, что полученный композит представляет собой структуру типа «ядро-оболочка». То есть частицы гидрида магния покрыты наноразмерными частицами хрома. Это определяет ключевые 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», — отмечает доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Роман Лаптев.
Ученые планируют проведение дальнейших исследований, связанных с улучшением свойств нового композита. В частности, с еще большим понижением минимальной температуры, при которой он будет эксплуатироваться.