Ученые Университета МИСИС запатентовали сплав, который способен поглощать и высвобождать водород при комнатной температуре, сохраняя стабильные характеристики при многократных циклах работы. Новый материал решает одну из ключевых задач альтернативной энергетики — безопасное, эффективное и недорогое хранение водорода. В перспективе он способен расширить сферу применения газа для транспорта и автономных источников питания.
Водород — один из самых перспективных энергоносителей, однако его хранение и транспортировка остаются технологически сложными задачами. Газ легко воспламеняется и требует либо высокого давления, либо низких температур. Одной из альтернатив являются твёрдотельные накопители — специальные металлические сплавы, которые обратимо поглощают газ, образуя гидриды. Металл «запирает» водород в своей кристаллической решетке, а при нагреве или снижении давления — выпускает.
Одним из наиболее изученных материалов для таких систем является интерметаллический сплав титана и железа (TiFe). Он относительно недорогой, устойчивый к многократным циклам поглощения и выделения водорода и не содержит дорогостоящих редкоземельных элементов. Однако при его изготовлении поверхность материала покрывается тонкой оксидной плёнкой. Этот слой препятствует проникновению водорода внутрь сплава, поэтому перед первым использованием материал приходится подвергать специальной активации — нагреву и обработке под высоким давлением. Такие процедуры усложняют эксплуатацию и повышают стоимость систем хранения.
Учёные НИТУ МИСИС нашли способ устранить эту проблему, добавив к составу хром и серу. Первая добавка позволяет снизить рабочие давления поглощения и выделения водорода, а вторая модифицирует поверхностный оксидный слой, делая его более проницаемым для водорода. В результате материал начинает эффективно взаимодействовать с водородом без предварительной активации. При этом в его составе отсутствуют дорогие редкоземельные элементы, такие как лантан, ванадий или церий, которые часто используются в аналогичных материалах.
«Главная новация и отдельный экологический плюс нашей разработки в том, что сера вводится не в чистом виде, а в составе дешёвого сульфида железа, который безопаснее чистой серы. Атомы серы встраиваются в оксидную плёнку на поверхности сплава, создавая неровности и шероховатости. Так молекулам водорода проще проникать через барьер. В результате сплав больше не нуждается в сложной активации, он начинает поглощать водород сразу, при комнатной температуре и сравнительно низком давлении, всего
1,6-3 атм — это в20-40 раз ниже, чем для обычного сплава TiFe», — сказал аспирант кафедры физического материаловедения НИТУ МИСИС Артём Король.
Важным преимуществом разработки является и её стабильность. Сплав сохраняет свои свойства при многократных циклах поглощения и выделения водорода, что важно для энергетических систем длительной эксплуатации. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Energy & Fuels (Q1).
«Новый сплав изготавливается из доступных компонентов с использованием дуговой или индукционной плавки в инертной атмосфере — технологий, хорошо освоенных в промышленности. Разработка перспективна для масштабирования и внедрения в стационарных системах хранения водорода для энергетики, в установках резервного электроснабжения, а также в автономных энергетических комплексах», — отметил д.т.н. Владислав Задорожный, профессор кафедры физического материаловедения НИТУ МИСИС.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект №
