Металлические стекла для замены палладия в водородной энергетике

Один из ключевых материалов, используемых для хранения водорода и катализа водородных реакций, является палладий. Однако он очень дорог и мало подходит для окислительной или восстановительной среды в экстремальных условиях. Эти факторы препятствуют использованию водородной энергии в промышленных масштабах

Группа ученых из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе со своими коллегами из России (МИСиС, МГУ), Австрии, Турции, Словакии и Великобритании нашли способ гидрогенизировать тонкие слои аморфного металла (металлического стекла) при комнатной температуре.

Эта технология может значительно расширить спектр дешевых, энергоэффективных материалов и методов, которые можно использовать в области водородной энергетики. Статья, раскрывающая детали исследования, опубликована в Journal of Power Sources [1].

Была разработана аморфная наноструктура (металлическое стекло на основе Fe-Ni), которую можно использовать в области водородной энергетики для накопления и хранения водорода, в частности, в качестве замены литий-ионных батарей в малогабаритных энергетических устройствах.

Металлическое стекло может заменить палладий, дорогой элемент, который сейчас используется в водородных энергетических системах. В настоящее время отсутствие экономически оправданных систем хранения водорода является основным препятствием, мешающим водородной энергетике перейти на промышленный уровень. Представленная разработка позволит подойти на шаг ближе к решению этой проблемы.

«Водород - самый распространенный химический элемент во Вселенной, источник чистой возобновляемой энергии, способный заменить все виды топлива, используемые сегодня. Однако его хранение представляет собой серьезную технологическую проблему.

Один из ключевых материалов, используемых для хранения водорода и катализа водородных реакций, является палладий. Однако он очень дорог и мало подходит для окислительной или восстановительной среды в экстремальных условиях. Эти факторы препятствуют использованию водородной энергии в промышленных масштабах.

Эта проблема может быть решена с помощью аморфных металлических стекол. По сравнению с кристаллическим палладием, металлические стекла намного дешевле и более устойчивы к агрессивным средам. Более того, из-за так называемого свободного объема атомов (пространства между атомами) такие стекла могут «впитывать» водород эффективнее любых других материалов с ярко выраженной кристаллической структурой».

По словам исследователей, металлические стекла обладают огромным потенциалом в энергетике благодаря своей аморфной структуре, отсутствию определенных дефектов, типичных для поликристаллических металлов, и высокой стойкости к окислению и коррозии.

Уникальность этой работы заключается в том, что применяемые электрохимические методы использовались как для гидрирования металлических стекол, так и для изучения их способности поглощать водород.

Стандартные методы гидрогенизации, такие как адсорбция газа, требуют высокой температуры и давления, что отрицательно сказывается на свойствах металлических стекол, сужая диапазон используемых материалов.

В отличие от адсорбции газа, электрохимическое гидрирование заставляет водород реагировать с поверхностью электрода, сделанного из металлического стекла Fe-Ni, при комнатной температуре, как и в случае с палладием.

Предложенный метод может использоваться в качестве альтернативы обычной реакции в среде газ-твердое тело для сплавов с низкой емкостью или скоростью поглощения/выделения водорода.

Была также предложена новая концепция «эффективного объема», которую можно использовать для анализа эффективности поглощения и выделения водорода металлическими стеклами. Для этого толщина и состав зоны реакции в среде стекло-водород измеряются с помощью электронной микроскопии высокого разрешения и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

В будущем планируется разработать и оптимизировать новые составы металлического стекла для практических применений в области энергетики.

Ранее коллектив материаловедов из ДВФУ, Кембриджа (Великобритания) и Китайской академии наук разработал метод «омоложения» 3D-очков из металлического стекла, являющихся наиболее подходящими для практического использования. Стеклам придали улучшенную пластичность и устойчивость к сверхкритическим нагрузкам. Усовершенствованные металлические стекла могут быть использованы во многих областях, от пластиковой электроники до различных датчиков и сердечников трансформаторов, медицинских имплантатов и защитных покрытий космических спутников.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228700

Источник: EurekAlert