Физики инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета разработали новый подход к созданию материалов водородной энергетики, основанный на управлении дефектной структурой и иерархической архитектурой материала. Это позволяет перейти от подбора составов и добавок к проектированию материалов с заданными характеристиками для хранения и транспортировки водорода.
Одной из ключевых проблем водородной энергетики остается отсутствие физических принципов, связывающих структуру материалов с их функциональными свойствами. Несмотря на многолетние исследования, разработка металлогидридных систем в значительной степени опиралась на эмпирический подбор составов и последующую экспериментальную оптимизацию, тогда как механизмы влияния дефектной подсистемы на поведение водорода оставались фрагментарно описанными.
Для решения этой задачи ученые Томского политехнического университета разработали новый подход на основе позитронной аннигиляционной спектрометрии, позволяющий исследовать эволюцию дефектной структуры материалов непосредственно в процессе сорбции и десорбции водорода. Созданный исследовательский комплекс обеспечивает проведение экспериментов при давлениях до 5 МПа и температурах до 900 oC, приближая условия измерений к эксплуатационным режимам работы материалов.
Многие существующие методы фиксируют состояние материала до и после взаимодействия с водородом, фактически исключая динамику процессов. В данном подходе можно наблюдать эволюцию дефектной структуры в реальном времени и связать ее с кинетикой накопления и выделения водорода. Это принципиально меняет тип получаемых данных.
В качестве модельных объектов была изучена серия композитов на основе гидрида магния с использованием различных добавок, ранее разработанных в Томском политехническом университете. Такие материалы рассматриваются как перспективные твердофазные системы хранения водорода благодаря высокой емкости и безопасности эксплуатации.
Предложенный учеными подход к исследованию материалов показал, что кинетика процессов хранения водорода определяется не только химическим составом, но и пространственно-временной организацией дефектов, интерфейсов и структурных неоднородностей на нескольких масштабных уровнях. Были установлены механизмы действия углеродных наноструктур, металлоорганических каркасов, наноразмерных металлических добавок и интерметаллидных фаз, формирующих каналы ускоренной транспортировки водорода и определяющих энергетический ландшафт его миграции.
Например, добавление наноразмерного никеля приводит не только к каталитическому эффекту, но и к формированию устойчивых дефектных конфигураций и интерметаллидных фаз, которые радикально перестраивают кинетику переноса водорода и снижают энергетические барьеры для его выделения и поглощения.
На протяжении многих лет в области материалов для хранения водорода был накоплен значительный массив экспериментальных данных, однако отсутствовала связная картина, объясняющая роль различных добавок на уровне механизмов. Ученым удалось выявить эти механизмы и показать, что именно дефектная архитектура определяет кинетику процессов сорбции и десорбции.
Таким образом, работа устанавливает новый принцип материаловедения водородной энергетики. Функциональные свойства определяются не составом и не набором добавок, а управляемой эволюцией дефектной архитектуры в рабочих условиях, что открывает переход к предсказательному проектированию систем хранения и транспортировки водорода.
