Наноструктурированные материалы: перспективы применения в водородной энергетике

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

А.В. Звягинцева, доцент, к.т.н., доцент, Воронежский государственный технический университет,

г. Воронеж, Россия

Смена энергоносителя - это болезненный и всегда длительный исторический период. В 80-х годах концепция водородной энергетики (ВЭ) была полностью разработана и детализирована, был осуществлен ее наукометрический анализ и разработана ее структура [1]. Крупным планом она включает:

1. Производство водорода из воды с использованием невозобновляемых источников энергии (уголь, атомная энергия, термоядерная энергия) и возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и так далее);

2. Транспортировка и хранение водорода;

3. Использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в быту;

4. Проблемы надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем.

К настоящему времени крупным планом завершилось развитие концепции «водородная энергетика ^ водородная экономика ^ водородная цивилизация» и сформировалось мировое водородное движение, ведущее дальнейшие научные поиски и работающее над практической реализацией концепции.

Реализация всех выгод от внедрения водородной энергетики, основанной на производстве водорода на широкой и диверсифицированной базе ископаемых топлив, ядерной и возобновляемых источников энергии, в сочетании с повсеместным использованием водорода практически во всех секторах экономики. Рисунок наглядно демонстрирует всю гамму альтернативных путей производства водорода (верхняя часть рисунка), а также основные направления его использования на транспорте, в промышленности, жилищном хозяйстве и секторе услуг. При этом в качестве водород потребляющего оборудования видятся как существующие двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, так и инновационные двигатели, и энергетические установки на основе топливных элементов (ТЭ) - которым отводится центральное ключевое место в водородной экономике.

Россия имеет уникальные достижения в области альтернативной энергетики, но пока не использует свои возможности в достаточной мере. В частности, нет разработок эффективных аккумуляторов водорода на основе гидридов металлов для систем водородной энергетики.

Рис. Водород: источники первичной энергии, возможности преобразования и использовании

Исследования последних лет продемонстрировали важную роль наноструктур в различных областях науки и техники, в том числе и для водородной энергетики. Наноматериалы в широком смысле этого слова представляют собой системы с неоднородностями структуры наноразмерного диапазона. Атомы водорода взаимодействуют с полями внутренних напряжений, возникновение которых обуславлено неоднородностями структуры. В результате такого взаимодействия образуются примесные сегрегации из атомов водорода и гидридные фазы в некоторых металлах и сплавах. Механизмы образования неоднородных структур в различных материалах достаточно многообразны.

В работах [2-4] показано, что формирование мелкокристаллической структуры металла и сплава с оптимальной степенью дефектности, которые являются местами закрепления водорода, может быть осуществлено электрохимическим методом с использованием в качестве нанообразующих добавок - бора. При введении бора в никель происходит переход от кристаллической структуры (бора до 5 ат. %) к неявно выраженной кристаллической структуре (бора 6-9 ат. %) с переходом к аморфной структуре. С одной стороны, повышение концентрации бора в системе М-В вызывает увеличение содержания водорода, по сравнению с никелем. Бор, как примесная ловушка для атомов водорода, обуславливает структурные изменения в никеле и создает условия для формирования структурных ловушек для атомов водорода. В результате структурные и примесные ловушки уменьшают водородную проницаемость металла. Другими словами, примеси замещения малого атомного радиуса являются ловушками для изотопов водорода (протия и дейтерия). Рассмотрим систему «никель-бор». Атом бора является примесью замещения с малым атомным радиусом по сравнению с никелем. Для оценки значения

потенциала взаимодействия атома водорода с примесной ловушкой огг воспользуемся выражением orr « EN¿rN1 Гв, где EN¿ - модуль Юнга никеля, rN¿ -

rNi

атомный радиус никеля, rB - атомный радиус бора, более подробно в работе. Значение orr находится при следующих численных значениях постоянных:

rN ¿ = 1 . 3 8 A°, rB = 1 . 2 2 A°,Sv = 2 . 8 X 1 0 " 3 °м3, EN ¿ = 2х 1 0 5МПа.

После проведения оценок получим V = — 0 . 6 7 X 1 0 _ 1 9Дж ( 0 . 4 2 эВ). Знак минус физически означает, что изотопы водорода взаимодействуют с локальной примесной ловушкой в виде атома бора (примесь замещения), с последующим образованием комплекса «бор-водород».

Понимание процессов структурообразования наноматериалов, позволит сформировать стратегию получения новых многофункциональных наноматериалов. Итак, взаимодействие водорода с металлами является определяющим процессом для двух направлений научных исследований.

1. Одно из направлений исследований проводимых нами - разработка систем, способных обратимо сорбировать и десорбировать водород в приемлемых внешних условиях (давление, температура). Диффузионная миграция атомов водорода в объем металла с последующим образованием примесных сегрегаций и гидридных фаз зависит от наличия структурных и примесных ловушек.

2. Второе направление исследований заключается в разработке эффективных покрытий для удержания атомов водорода в приповерхностном слое элементов конструкций различного назначения.

Формируемые электрохимические системы на основе никеля, имеющие различные комбинации элементов по химическому составу, значительно расширят спектр используемых материалов для хранения водорода.

Список использованной литературы

1. Шпильрайн Э.Э. и др. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов / Под ред. В.А.Легасова. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 264 с.

2. Звягинцева А.В. Определение водородной емкости структурных дефектов. Междунар. науч. журнал «Альтернативная энергетика и экология». Саров: НТЦ «ТАТА», 2015. №21 (185). - С. 145-149.

3. Звягинцева А.В. Способность материалов на основе никеля наноразмерного диапазона к аккумулированию водорода. Междунар. науч. журнал «Альтернативная энергетика и экология». Саров: НТЦ «ТАТА», 2015. №21 (185). - С. 150-155.