25 мая прошло заседание Совета по грантам Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых, на котором было принято решение утвердить отчеты о проводимом научном исследовании «Металлогидридные технологии: о материалов к водородным системам хранения и преобразования энергии» по соглашению от 1 июля 2022 г. №075-15-2022-1126 за 2022 год и признать целесообразным продолжение работы и финансирования в 2023 году.
Сотрудники Лаборатории награждены золотой медалью XXVI Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед», который проходил в конгрессно-выставочном центре Гостиничного Комплекса «Космос» в Москве с 28 по 30 марта 2023 года за проект «Никельсодержащий углерод-графеновый катализатор гидрирования и способ его получения». Авторы изобретения: Арбузов А.А., Володин А.А., Фурсиков П.В., Тарасов Б.П.
Салон «Архимед» – это ежегодное мероприятие для поддержки инновационных проектов, новых изобретений и технологий из России и зарубежных стран. Все представленные проекты проходят отбор и оценку Экспертного совета и Международного жюри, по результатам которых лучшие удостаиваются наград и дипломов Салона.
Сотрудники Лаборатории вошли в число победителей конкурса Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследовании и поисковых научных исследовании отдельными научными группами» с проектом «Новые подходы к разработке композитных материалов и систем хранения водорода на основе сплавов титана с железом» под руководством Тарасова Б.П.
Целью проекта является формирование новых подходов к разработке высокоэффективных материалов и систем хранения водорода на основе сплавов титана с железом в ходе комплексных фундаментальных и прикладных исследований, включающих:
1. Анализ факторов, влияющих на реакционную способность расплавов Ti-Fe к кислородсодержащим соединениям и приводящих к нежелательным изменениям фазового состава сплавов после затвердевания. Реализация путей подавления данных эффектов предполагается путем
(а) введения раскислителей,
(б) твердофазного синтеза методами порошковой металлургии и механохимии,
(в) корректировки фазового состава.
2. Детальное исследование механизма «отравления» поверхности сплавов Ti-Fe кислородсодержащими примесями в водороде. Повышение устойчивости к «отравлению» предлагается осуществить модификацией поверхности путем (а) осаждения металлов, активирующих диссоциативную хемосорбцию водорода, (б) создания композитов сплавов Ti-Fe с графеноподобными материалами, в т.ч. содержащими наночастицы катализатора, (в) добавки активных порошков гидридов, (г) сочетания вышеуказанных методов.
Научная новизна проекта включает комплексный подход к решению поставленных задач на стадиях как приготовления базового сплава Ti-Fe, так и модификации поверхности частиц. Оригинальные идеи по модификации сплавов Ti-Fe и формирование композитов на их основе, большой опыт работы коллектива в области водородной энергетики и металлогидридных технологий позволят разработать новые подходы к созданию высокоэффективных металлогидридных композитных материалов и аккумуляторов водорода многократного действия.
Практически любая область использования водорода связана с необходимостью его компримирования. Технология компримирования водорода с использованием металлогидридов, разрабатываемая в рамках проекта, обладает рядом преимуществ перед традиционными методами, включая простоту конструкции компрессора, отсутствие движущихся частей, высокую чистоту выдаваемого водорода, возможность утилизации низкопотенциальной теплоты, надежность и безопасность в работе.
Основной проблемой разработки многоступенчатых металлогидридных термосорбционных компрессоров водорода является подбор гидридообразующих материалов, обеспечивающих компримирование водорода в заданных диапазонах давлений всасывания/нагнетания и температур охлаждения/нагрева.
С использованием результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований руководителя и сотрудников Лаборатории металлогидридных энерготехнологий, в ходе выполнения проекта были проведены расчеты двухступенчатого металлогидридного компрессора водорода, по результатам которых был выбран оптимальный рабочий материал первой ступени компрессора, позволяющий повысить (по сравнению с ранее разработанными прототипами) производительность компримирования на 10% и существенно улучшить стабильность работы при изменении внешних параметров.
По результатам исследования опубликована научная статья: М.В. Лотоцкий, Э.Э. Фокина, И.Э. Бессарабская, Б.П. Тарасов. Расчет двухступенчатых металлогидридных компрессоров водорода с помощью модели фазовых равновесий интерметаллид–водород. // Неорганические материалы, 2022, том 58, № 11, стр. 1268–1276
Магний является перспективным материалом для аккумулирования водорода вследствие его доступности и дешевизны, а также высокой емкости по водороду его гидрида.
Вместе с тем, высокая температура и низкие скорости образования и разложения гидрида магния существенно сдерживают практическое использование данного материала как аккумулятора водорода. Указанная проблема может быть решена путем добавления к магнию катализаторов гидрирования/дегидрирования на основе переходных металлов. Однако, как правило, введение таких добавок должно сопровождаться высокоэнергетическим размолом смеси «магний – переходный металл» в шаровой мельнице под давлением водорода, что существенно повышает стоимость и снижает безопасность процесса приготовления высокоэффективных водород-аккумулирующих материалов на основе магния.
Данная проблема успешно решена сотрудниками Лаборатории металлогидридных энерготехнологий. В ходе проведения экспериментальных работ в рамках проекта получены высокоэффективные водород-аккумулирующие смеси коммерческих порошков магния и ванадия, не требующие дополнительной механохимической обработки, поглощающие до 6.8 мас% водорода и выделяющие водород при 20–450°C.
Водородсорбционные характеристики композиционных материалов для хранения водорода (в том числе на основе магния и его сплавов) во многом определяются их микроструктурой и морфологией.
Поэтому получение достоверной информации по данным характеристикам является важным этапом оптимизации таких материалов в направлении повышения обратимой водородоемкости и скоростей гидрирования/дегидрирования, а также стабильности водородсорбционных свойств при многократном циклировании при повышенных температурах.
Применение существующих экспериментальных методов исследования микроструктуры водородсорбирующих композитов при помощи просвечивающей электронной микроскопии осложняется рядом побочных эффектов, главным образом связанных с изменением состава образца вследствие его неупругого взаимодействия с падающим пучком электронов (радиолиз). Такие эффекты приводят к искажению конечных результатов, что затрудняет их правильную интерпретацию.
В ходе выполнения работ по проекту сотрудниками Лаборатории металлогидридных энерготехнологий проведено усовершенствование микроструктурных исследований, позволяющее существенно снизить нежелательное влияние вышеуказанного эффекта. Метод основан на применении просвечивающей электронной микроскопии и электронной микродифракции с использованием эффекта радиолиза и серии калибровочных изображений эталонных образцов при различных временах экспозиции.
С использованием усовершенствованного метода проведено исследование топологических особенностей микроструктуры порошковых водород-сорбирующих композитов на основе эвтектического сплава Mg89Ni11.
По результатам исследования подготовлена научная статья: П. В. Фурсиков, В. Н. Фокин, Э. Э. Фокина, С. А. Можжухин, А. А. Арбузов, А. Н. Лапшин, И. И. Ходос, Б. П. Тарасов. Микроструктура водород-сорбирующих композитов на основе эвтектического сплава магния с никелем. // Журнал прикладной химии, 2022, том 95, вып. 8.
Гидролиз легких металлов и гидридов является перспективным методом получения водорода для различных автономных приложений, включая микро-энергосистемы на топливных элементах, которые могут работать в полевых условиях и требуют только воду для генерации водородного топлива.
Наиболее перспективным материалом для генерирования водорода методом гидролиза является гидрид магния (MgH2), сочетающий высокий теоретический выход по водороду (15,2 мас% без учета воды) с доступностью, экологической чистотой, а также стабильностью и безопасностью при хранении и транспортировке. Однако низкая растворимость в воде продукта гидролиза, гидроксида магния, является причиной низкого выхода водорода и малых скоростей его генерирования. Кроме этого, высокий тепловой эффект реакции гидролиза MgH2 требует поиска эффективных путей регулирования скорости данного процесса.
Вышеуказанные проблемы были решены в ходе совместного исследования сотрудников Лаборатории металлогидридных технологий ФИЦ ПХФ и МХ, Центра компетенции HySA Systems при Западно-Капском университете (группа руководителя проекта в Южно-Африканской республике) и Ключевой лаборатории провинции Гуангдонг по разработке и использованию редкоземельных металлов (Китайская Народная Республика). Показана высокая эффективность гидролиза коммерческого MgH2 и разработанных сотрудниками Лаборатории металлогидридных энерготехнологий нанокомпозитов MgH2 с графеноподобными материалами в разбавленных водных растворах органических кислот при комнатной температуре.
Установлено, что максимальный выход водорода при гидролизе гидрида магния в водном растворе лимонной кислоты при мольном соотношении кислота:MgH2 > 1:1 приближается к 100% от теоретического, а время достижения 90% выхода по водороду составляет от 1 до 3 минут. Высокие скорость гидролиза и выход водорода связаны с образованием буферного раствора цитрат магния/лимонная кислота, способного поддерживать требуемый для завершения реакции pH.
Возможность эффективного регулирования скорости реакции гидролиза гидрида магния путем изменения соотношения кислота: MgH2 была заложена в принцип работы прототипа устройства для получения компримированного водорода, разработанного сотрудниками Лаборатории металлогидридных технологий. Устройство имеет простую разборную конструкцию и функционирует без использования дополнительных источников энергии.
По впервые полученным результатам данной работы подготовлена совместная научная статья для публикации в Journal of Magnesium and Alloys (Q1 по WoS).
Краткая аннотация: С целью оптимизации условий гидрирования Mg — перспективного материала для систем хранения водорода — и нахождения новых путей получения MgH2 исследовано взаимодействие смесей коммерческого Mg с 10–50 мас% V в виде порошков с размером частиц 200 мкм с высокочистым водородом под давлением 3 МПа в температурном интервале 350–380ºC. Установлено влияние активирующей добавки V в количестве 10–20 мас% на процесс гидрирования Mg при 370–380°C, позволяющей прогидрировать Mg на ~95% с образованием смеси MgH2 и VH2. Такая смесь содержит около 6.8 мас% водорода высокой чистоты (99.999 мас%), выделяемого при 20–450°C. Ключевые слова: магний; ванадий; водород; гидрирование; металлогидридный аккумулятор водорода DOI: 10.31857/S0044461822070118; EDN: DNJLVU
Краткая аннотация: Выполнено моделирование работы двухступенчатого металлогидридного термосорбционного компрессора водорода на основе интерметаллидов LaNi5 или LaNi4.9Sn0.1 (первая ступень) и La0.5Ce0.5Ni5 (вторая ступень) с использованием полуэмпирической модели фазовых равновесий (PCT-диаграмм) в системах газообразного водорода с металлами и сплавами, позволяющей проводить реалистичную экстраполяцию за пределы экспериментальных диапазонов температур и давлений водорода. Показано, что замена LaNi5 на LaNi4.9Sn0.1 в качестве гидридообразующего материала первой ступени компрессора при прочих равных условиях приводит к увеличению производительности компрессора на 10% при росте затрат теплоты на 17%. В то же время данная замена существенно повышает стабильность работы компрессора при изменении давления всасывания и температуры охлаждения. Наблюдаемые эффекты объясняются увеличением стабильности интерметаллического гидрида, снижением потерь энергии на гистерезис и ростом наклона плато при малых замещениях никеля на олово в LaNi5. Ключевые слова: водород, гидрид, интерметаллическое соединение, фазовые равновесия, моделирование, термосорбционный компрессор DOI: 10.31857/S0002337X22110094
22 ноября 2022 года на базе XVII Российской конференции «Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики» прошла молодежная школа «Водородные и металлогидридные энерготехнологии», организованная в рамках проекта «Металлогидридные технологии: от материалов к водородным системам хранения и преобразования энергии», поддержанного Министерством науки и высшего образования РФ в рамках национального проекта «Наука и университеты»: создание лаборатории мирового уровня под руководством ведущих ученых с мировым именем: «Лаборатория металлогидридных энерготехнологий».
Целью проведения молодежной школы являлось привлечение молодых ученых к участию в исследованиях, проводимых в России, в области водородного материаловедения и водородной энергетики.
Усилия ученых, инженеров, бизнесменов и политиков как в России, так и за ее пределами направлены на выработку и реализацию новых концепций развития энергетики в направлении использования новых экологически чистых ресурсо- и энергосберегающих технологий производства, хранения, распределения и потребления энергии. Использование водорода как универсального энергоносителя является наиболее перспективным путем комплексного решения данных проблем. Преимуществами водородной энергетики являются экологическая чистота, высокий к.п.д. энергоустановок на топливных элементах, возможность масштабирования в сторону как сверхмалых, так и больших мощностей, а также ряд дополнительных возможностей, связанных с использованием водорода как ценного сырья для ряда отраслей промышленности и экологически чистого топлива для транспорта.
С пленарными докладами на конференции выступили ведущие ученые страны: проф. Е.И. Теруков (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) «Высокоэффективные гетероструктурные солнечные элементы на кремнии», акад. А.Б. Ярославцев (ИОНХ РАН) «Перспективы развития водородной энергетики в России», проф. С.А. Гуревич (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) «Кластерный углерод – новый материал для анода литий-ионных аккумуляторов», зав. лаб. Б.П. Тарасов (ФИЦ ПХФиМХ РАН) «Водородное материаловедение: «водородная болезнь», хранение и транспортировка водорода, проблемы безопасности», зав. лаб. С.С. Налимова (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») «Сенсорные системы нового поколения для возобновляемой энергетики», зав. лаб. О.В. Бушкова (ИХТТ УрО РАН) «Разработка технологий синтеза активных материалов положительных электродов литий-ионных аккумуляторов».
Для молодых ученых были прочитаны лекции ведущими специалистами страны в области водородной энергетики, водородного материаловедения, технологий хранения, извлечения и очистки водорода. Сотрудники Лаборатории металлогидридных энерготехнологий ФИЦ ПХФ и МХ РАН прочитали для слушателей школы серию лекций: Лотоцкий М.В. «Газофазные приложения металлогидридов», Володин А.А. «Перспективы развития металлогидридных источников тока», Фурсиков П.В. «Аккумулирование водорода в магниевых наноструктурированных композитах и наноразмерных кластерах», Арбузов А.А. «Водород-аккумулирующие и водород-генерирующие магний-графеновые композиты». Молодые сотрудники Можжухин С.А., Сафронов Г.С. и Якушин И.О. выступили с краткими сообщениями.
office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
