Это позволило снизить энергию активации процессов сорбции и десорбции в три раза по сравнению с реакцией в чистом гидриде магния, что открывает широкие перспективы для безопасного твердотельного хранения водорода.
Ранее физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ предложили новый принцип проектирования материалов водородной энергетики. Так, удалось доказать, что добавление наноразмерного никеля к гидриду магния приводит не только к каталитическому эффекту, но и к формированию устойчивых дефектных конфигураций и интерметаллидов, которые радикально перестраивают кинетику переноса водорода и снижают энергетические барьеры его выделения и поглощения.
Известно, что взаимодействие водорода с различными типами дефектов (границы зерен, вакансии, дислокации и другими) имеет определенную тенденцию. Однако, несмотря на некоторые исследования в этой области, механизмы влияния дефектов на свойства композитного материала в целом до конца не объяснены и не установлены. Для решения этой проблемы одним из наиболее эффективных методов является спектроскопия аннигиляции позитронов. Благодаря высокой чувствительности метода мы можем определить тип дефектов и их химическое окружение. Важно, что такой подход позволяет проследить эволюцию дефектов кристаллической решетки и изменение свойств материала во времени, — рассказывает один из авторов исследования, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Роман Лаптев.
Так, ученые получили трехкомпонентный накопитель водорода на основе гидрида магния с добавлением 15 мас. % наноразмерного никеля и 1 мас. % одностенных углеродных нанотрубок в качестве теплопроводящей добавки. Смесь измельчали в планетарной шаровой мельнице при частоте 25 Гц в течение 120 минут в инертной атмосфере аргона. Затем систему тестировали в условиях де/ адсорбции в широком температурном диапазоне. Емкость накопителя составила 5,5 мас. % водорода. Для сравнения, чистый гидрид магния имеет емкость 7 мас. %. При этом энергия активации десорбции водорода для композита составляет 50-58 кДж/моль, что примерно в три раза ниже значения для гидрида магния (161 кДж/моль).
Свойства полученного композита исследовали методом спектроскопии аннигиляции позитронов с использованием радиоизотопа меди, рентгенофазовым анализом, термостимулированной десорбцией и анализом содержания водорода.
В ходе исследования мы установили, что добавление углеродных нанотрубок значительно улучшает теплоперенос в металлогидридном накопителе водорода, а также ускоряет кинетику процессов выделения/поглощения водорода. Добавление никеля способствует значительному снижению рабочих температур, что отражается в энергии активации десорбции, сниженной примерно в три раза по сравнению с исходным гидридом магния, — отмечает один из авторов исследования, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Виктор Кудияров.
Еще одна особенность материала — формирование интерметаллической фазы, которая действует как «водородный насос». Благодаря развитой сети дефектов, которые, наряду с катализаторами, являются активными центрами рекомбинации и диссоциации водорода, происходит его перераспределение в кристаллической решетке. Благодаря этому физическому механизму происходит его локализация в энергетически выгодных положениях. Суть проявляется в более беспрепятственном высвобождении водорода благодаря наличию огромного количества дефектов кристаллической решетки, вызванных совместным измельчением компонентов композита стальными шариками в планетарной мельнице.
Данная работа демонстрирует, что определение характеристик дефектов в реальном времени позволяет рационально оптимизировать материалы для хранения водорода на основе контроля микроструктуры, что открывает возможности для создания перспективных систем хранения энергии и водородных энергетических технологий следующего поколения.
Исследование выполнено при поддержке госзадания «Наука» (грант № FSWW- 2026-0044). Лабораторное оснащение выполнено на средства федеральной программы «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy.
Фото: ТПУ
Источник: Минобрнауки России
