Энергию, которая требуется для запуска сорбции и десорбции, получилось сократить втрое — по сравнению с аналогичным процессом в чистом гидриде магния. Подобный итог формирует весомые предпосылки к тому, чтобы организовать безопасное хранение водорода в твёрдом состоянии.
Анна Абрамова
Источник фото: пресс-служба ТПУ
Исследование выполнено в рамках государственного задания «Наука» (грант № FSWW-2026-0044). Оснащение лаборатории обеспечивалось федеральной программой «Приоритет-2030», входящей в национальный проект «Молодежь и дети». Статья с результатами увидела свет в International Journal of Hydrogen Energy (Q1, IF: 9,2).
Новый подход к созданию материалов
Коллектив физиков Инженерной школы ядерных технологий ТПУ ещё ранее представил новый подход к конструированию материалов для водородной энергетики. В частности, было показано: введение наноразмерного никеля в гидрид магния даёт не только каталитический отклик. Дополнительно возникают стабильные дефектные конфигурации и интерметаллиды, способные кардинально менять кинетику переноса водорода и понижать энергетические барьеры при его выделении и поглощении.
«Взаимодействие водорода с дефектами разного типа — границами зерен, вакансиями, дислокациями и прочими — подчиняется определенным закономерностям. Однако механизмы, через которые дефекты влияют на свойства композита в целом, до сих пор не раскрыты и не описаны, хотя отдельные исследования в этом направлении есть. Наиболее результативным способом решения такой задачи выступает спектроскопия аннигиляции позитронов. Высокая чувствительность метода дает возможность установить тип дефектов и их химическое окружение. Существенно и то, что данный подход позволяет отслеживать, как дефекты кристаллической решетки эволюционируют, а свойства материала меняются с течением времени», — поясняет Роман Лаптев, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и один из авторов работы.
Как создавали аккумулятор
Итак, был создан трехкомпонентный аккумулятор водорода, основой которого служит гидрид магния. В его состав вошли наноразмерный никель (15 мас. %) и одностенные углеродные нанотрубки (1 мас. %), добавленные для отвода тепла. Полученную смесь подвергали измельчению в планетарной шаровой мельнице 120 минут при частоте 25 Гц, причем в среде инертного аргона. Далее систему испытывали в режиме де/адсорбции, варьируя температуру в широких пределах.
Ёмкость и энергия активации
Ёмкость накопителя достигла 5,5 мас. % водорода, тогда как у чистого гидрида магния она равна 7 мас. %. Энергия активации десорбции для композита лежит в диапазоне 50–58 кДж/моль — это приблизительно втрое меньше, чем у гидрида магния (161 кДж/моль).
Характеристики композита изучали несколькими способами: спектроскопией аннигиляции позитронов с радиоизотопом меди, рентгенофазовым анализом, термостимулированной десорбцией и определением содержания водорода.
За что отвечает каждый компонент
«Исследование показало: углеродные нанотрубки заметно усиливают перенос тепла внутри металлогидридного накопителя и одновременно ускоряют кинетику выделения и поглощения водорода. Что касается никеля, то его введение существенно понижает рабочие температуры, а это видно по энергии активации десорбции, которая стала примерно втрое меньше, чем у исходного гидрида магния», — подчеркивает Виктор Кудияров, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и один из авторов исследования.
Эффект «водородного насоса»
У материала есть и еще одна отличительная черта — образование интерметаллической фазы, работающей наподобие «водородного насоса». Разветвленная сеть дефектов вместе с катализаторами выступает активными центрами рекомбинации и диссоциации водорода, и за счет этого он перераспределяется внутри кристаллической решетки. Подобный физический механизм обеспечивает локализацию водорода в энергетически выгодных позициях. По сути, высвобождение водорода идет свободнее, поскольку решетка содержит множество дефектов — их порождает совместный помол компонентов композита стальными шариками в планетарной мельнице.
Что это даёт на практике
Эта работа показывает: если фиксировать характеристики дефектов в режиме реального времени, можно целенаправленно совершенствовать материалы для хранения водорода, управляя их микроструктурой. Тем самым открывается путь к перспективным системам аккумулирования энергии и к водородным технологиям энергетики следующего поколения.
Ранее корреспондент журнала «Химагрегаты» рассказывал о роли газоциркуляционных насосов в водородной энергетике.
