.jpg)
Специалисты Томского политехнического университета модернизируют один из способов хранения водорода в виде соединения с металлическими композитами и одновременно развивают уникальный метод исследования металлов.
Многие металлы и соединения способны обратимо поглощать молекулы водорода. Для этого их часто нужно охладить. А чтобы металл начал отдавать водород, его нужно нагреть. Для некоторых металлов требуются достаточно высокие температуры. Задача инженеров заключается в том, чтобы сделать температуры поглощения и отдачи не экстремальными.
Одно и то же количество водорода может быть либо в сжатом состоянии, либо поглощено металлогидридом, и он больше не будет оказывать давления. Для этого в цилиндр экспериментальной камеры засыпают материал, такой как, например, порошок магния, откачивают воздух и помещают в печь. После этого туда закачивается водород из баллона или генератора. Со временем порошок поглощает газ и превращается в гидрид магния. Готовый материал можно либо просто засыпать в баллон, либо скомпоновать через пресс-форму в небольшие таблетки. Металлогидриды можно использовать как резервные источники автономного энергообеспечения в связке с возобновляемыми источниками энергии.
Работая над материалом, который будет вбирать в себя водород, ученые Томского политехнического университета решили соединить магний с металлоорганической каркасной структурой на основе хрома. Это пористые микроскопические кристаллы, состоящие из атомов металлов и органических соединителей, так называемых лигандов. Чтобы объединить металлогидрид и МОКС, оба вещества совместно измельчают в планетарной мельнице. Это цилиндры, внутри которых находятся металлические шарики, которые все перемалывают. А планетарной мельница зовется потому, что цилиндры и противовесы вращаются по своим орбитам, как планеты.
Композит, который образовался в результате, представляет собой структуру типа "ядро-оболочка", а наночастицы оксида хрома равномерно распределены по поверхности частиц магния. Новый материал способен отдавать водород при нагреве до 255 °C. Эта температура ниже предыдущих результатов, но все еще достаточно высокая.
У ученых Томского политехнического университета появилась идея смешать два материала, которые работают при высокой (магний) и низкой (МОКС) температурах. Первый отличается сильной химической связью, а у второго слабая физическая связь. Если их соединить, то возникнет некий синергетический эффект, который усилит преимущества обоих материалов. Главное преимущество магния заключается в том, что он дешевый, доступный и обладает хорошей способностью к поглощению водорода. В 100 граммах гидрида магния будет около 7 грамм водорода. Это очень высокое массовое содержание, если сравнивать с другими металлами.
В настоящий момент ученые Томского политехнического университета разрабатывают удобную систему на другом материале. Ее можно будет греть буквально горячей водой из крана.
Полученный томскими инженерами композит стал одним из многих шагов на пути к идеальному материалу для работы с водородом. Но абсолютная инновационность данного проекта состоит в методе изучения нового композита. Водород, взаимодействуя с металлами, создает в них дефекты, которые могут перерасти в микротрещины. От этого материал теряет пластичность, становится хрупким. Этот эффект называют водородным охрупчиванием. После эксперимента ученые проанализировали влияние газа на металл и констатировали дефекты, но увидеть само образование повреждений ранее никому не удавалось.
Заглянуть внутрь этого процесса помог метод спектрометрии на основе электрон-позитронной аннигиляции. Ученые Томского политехнического университета изучили отдельно магний, гидрид магния, МОКС и композит. В самом материале на глубине 100 микрометров не происходит всплесков аннигиляции позитронов со свободными электронами. Дефекты образуются в тот момент, когда происходит воздействие, циклы поглощения и отдачи. Важно, чтобы у материала была устойчивость к этим циклам. Не менее важно понимать, как именно образуются дефекты, как материал реагирует на воздействие.
Источник позитронов в эксперименте тоже был инновационным. Так как главная задача состояла в прямом наблюдении за процессом изменения структуры металла, то все материалы в испытательной камере не должны были вносить погрешности. Изотоп титана, который прежде выступал источником позитронов, не подошел, потому что он портится от нагрева и реагирует с водородом. Тогда инженеры решили взять обычную медную пластину и поместить ее в ядерный реактор, который находится при университете. Полученный радиоактивный изотоп не вступает с водородом в реакцию и плавится при 1085 °C. Во время исследований изотоп меди положили на магниевый порошок и обсыпали им сверху. Медь оставалась радиоактивна три дня. Примерно столько длился опыт. После этого периода металл вернулся в прежнее состояние.
