ИПХФ РАН
РАБОТЫ ЛАБОРАТОРИИ ВОДОРОД-АККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ
в области водородной энергетики
Б.П. Тарасов Институт проблем химической физики РАН пр-т Академика Семенова, 1, г. Черноголовка, Россия, 142432 Тел./факс: (496) 5221743; e-mail: btarasov@icp.ac.ru
Представлены и обсуждены основные направления работ Лаборатории водород-аккумулирующих материалов, полученные за последние годы научные и практические достижения в области химии гидридов и углеродных наноструктур, планы исследований по разработке новых материалов для водородной энергетики.
WORKS OF LABORATORY OF HYDROGEN STORAGE MATERIALS IN THE FIELD OF HYDROGEN ENERGY
B.P. Tarasov
Institute of Problems of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences The basic directions of works of Laboratory of hydrogen storage materials, the scientific and practical achievements in the field of chemistry of hydrides and carbon nanostructures obtained for last years, the plans of researches on development of new materials for hydrogen power are presented and discussed.
Сведения об авторе: заведующий Лабораторией водород-аккумулирующих материалов ИПХФ РАН, канд. хим. наук (1985 г.). Образование: Химический факультет МГУ (1978 г.).
Область научных интересов: химия гидридов и углеродных наноструктур, водородное и углеродное материаловедение, водородная энергетика. Публикации: более 300 работ.
Основными направлениями работы лаборатории
являются:
• поиск и разработка перспективных материалов для компактного и безопасного хранения водорода в связанном состоянии;
• синтез и исследование гидридов металлов, интер-металлидов и сплавов;
• синтез и исследование фуллеренов, углеродных нанотрубок и нановолокон;
• формирование и исследование металлогидридных композитов;
• формирование и исследование водородсорбиру-ющих металл-углеродных композитов;
• исследование углеродных наноматериалов в качестве носителей металлических катализаторов, компонентов для создания металлогидрид-угле-родных водород-аккумулирующих композитов и модифицирующих добавок к полимерам;
• разработка электрокатализаторов для топливных элементов;
• разработка аккумуляторов водорода многократного действия;
• создание источников водорода для портативных топливных элементов.
Поиск новых составов, способных обратимо в широком интервале температур и давлений взаимодействовать с молекулярным водородом, является одной из важнейших проблем химии водорода, водородной энергетики и технологии. Это связано с фундаментальными проблемами, поскольку такие водород-аккумулирующие материалы являются уникальными объектами химии и физики твердого тела, позволяющими устанавливать закономерности взаимодействия твердого тела с газами и исследовать фазы внедрения с различным содержанием водорода в равновесном состоянии. Прикладной аспект связан с тем, что водород как универсальный, доступный (неограниченный запас сырья - воды), высокоэффективный (удельная теплота сгорания в 3 раза больше, чем у углеводородных горючих) и экологически чистый (продукты сгорания не загрязняют окружающую
среду) энергоноситель имеет широкие перспективы практического использования в водородной энергетике и как химический реагент - в промышленности (синтез аммиака, метанола, углеводородов, альдегидов, кетонов; производство жидких топлив; гидроочистка; гидрокрекинг; рафинирование нефти; получение высокочистых металлов и сплавов, металлических порошков различной дисперсности, углеродных наноматериалов; гидрирование жиров). В связи с этим соединения с высоким содержанием обратимо связанного водорода вызывают интерес для организации технически и экономически эффективного метода хранения и транспортирования водорода, например, в аккумуляторах многократного действия. Кроме того, такие материалы используются в ядерной энергетике и препаративной химии, перспективны в качестве источника водорода для низкотемпературных топливных элементов, в системах выделения и очистки водорода, термосорбционных компрессорах и тепловых насосах.
Основными достижениями лаборатории являются:
1) разработка методик синтеза гидридов металлов, интерметаллических соединений и сплавов, установление роли легирования и влияния микроструктуры на водородсорбционные характеристики металлических материалов (изотермы сорбции и десорбции, термическая и циклическая стабильности, структура гидридных фаз);
2) определение закономерностей влияния сопутствующих водороду газов на процессы взаимодействия металлических фаз с водородом, исследование хемо-сорбции газов и состояния поверхности металлической матрицы (количественные характеристики хемосорб-ции газов и состав поверхности порошков);
3) изучение взаимодействия с водородом различных углеродных наноматериалов (фуллеренов, нанотрубок и нановолокон) и определение перспектив использования этих материалов для хранения водорода;
4) формирование и исследование водород-акку-мулирующих характеристик полиметаллических и металлогидрид-углеродных композитов, установление закономерностей фазообразования и возможных механизмов химических превращений при взаимодействии композитов с водородом;
5) модифицирование гидридов металлов для повышения активности в реакции взаимодействия с водой и кислыми растворами для организации управляемого процесса выделения водорода;
6) разработка и создание компактных и безопасных в работе аккумуляторов водорода многократного действия и химических генераторов водорода картриджного типа, проведение тестовых испытаний действующих устройств для выявления перспектив использования в различных приложениях.
В результате исследований гидридообразующих металлов, интерметаллических соединений и сплавов
предложены: метод регулирования давления диссоциации гидридных фаз путем замены части металла в структуре исходного сплава, метод гидридного и аммиачного диспергирования для получения высокодисперсных порошков металлических фаз путем обратимого взаимодействия с водородом и аммиаком, метод «отравления» для сохранения гидридных фаз с высоким давлением диссоциации путем обработки при низких температурах каталитическими ядами, метод получения высокочистого водорода путем избирательной сорбции водорода из газовых смесей, металлогидридный способ хранения водорода в связанном состоянии (табл. 1, 2, рис. 1, 2).
Таблица 1
Исследуемые в лаборатории гидридообразующие металлы, интерметаллические соединения и сплавы для аккумулирования водорода
Investigated in Laboratory hydride forming metals, intermetallic compounds and alloys for hydrogen accumulation
Материал Состав Рабочий интервал H, масс. %
T, oC P, атм
Металлы Mg 300...400 1.10 7,6
V 0...200 0,1.200 2.3,5
Ti 500.600 1.10 4,0
Интерметаллические соединения AB5 (A - La, Mm, Ca; B - Ni, Al, Co, Sn) 0.200 0,1.150 1,2.1,5
AB2 (A - Ti, Zr; B - Cr, Mn, Fe) -70.150 0,1.250 1,5.2,5
AB (A - Ti, Zr; B - Fe, Ni) 0.150 1.100 1,7.2,0
A2B (A - Mg; B - Ni, Cu) 200.300 1.100 2,5.3,7
Сплавы на основе Mg: Mg-Ni, Mg-Ni-RE 250.400 1.10 4.7
на основе V: V-Cr-Mn 0.200 1.150 1,8.3,7
на основе Ti: Ti-Al-Ni 200.600 1.10 3.5
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2(58) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Рис. 1. Весовое и объемное содержание водорода в гидридах (для срав- Рис. 2. Примеры изотерм в системах металлическая фаза—водород и нения приведено объемное содержание водорода в жидком и сжатом структура гидрида RNifl6
состояниях) Fig. 2. Examples of the isotherms in systems a metal phase - hydrogen and
Fig. 1. Weight and volumetric content ofhydrogen in hydrides (for comparison the structure of hydride RNifl6 the volumetric content of hydrogen in a liquid and compressed states are given)
Таблица 2
Влияние примесных газов на водородсорбционные характеристики интерметаллидов при температуре 20-100 оС и давлении 0,001-50 атм
Influence of impurity gases on hydrogen sorption characteristics of the intermetallides at the temperature 20-100 оС and pressures 0,001-50 atm
№ группы Сопутствующие водороду газы Отношение газов к поверхности интерметаллидов Число циклов, N*
1 Ar, He, N2, CH4, C2H6,... Инертное >1000
2 C02, NH3,... Хемосорбция без отравления ~1000
3 C2H4, C2H2, C3H6,. Каталитическое превращение ~1000
4 O2, H2o,... Химическое взаимодействие ~100
5 CO, so2, H2S, CH3SH,... «Отравление» поверхности 1-2
*Число циклов, за которое водородсорбирующая емкость уменьшается в 2 раза при содержании примеси 0,1 об. %.
В области исследования углеродных наномате-риалов (УНМ) в лаборатории методом электродугового испарения графита синтезированы фуллерены, одностенные (ОНТ), двустенные и многостенные
(МНТ) углеродные нанотрубки (УНТ). Разработаны методики получения разных типов углеродных нано-волокон каталитическим пиролизом этилена, ацетилена и метана. Показана перспективность использования
гидридов интерметаллических соединении никеля с лантаном или магнием в качестве прокатализаторов синтеза углеродных наноструктур. Разработаны методы выделения, очистки и аттестации углеродных наноструктур (рис. 3).
1-5 МПа, 570-670 К.
{C60H + MH}
^ 60 x V-*
{С + М} + H
{Сб0Нх + MH} <6°0К>{Сб0Нх + M} + 0,5y Н2 -^{Сб0 + M} + 0,5(x+y) Н2
C60Pt + H2 1-3 Mna 400-550 ь C60PtHx
C60Pt + H2
C60Pt + H2 1-3 Mna, 600-700 C60Hx + Pt C60 + Pt + H2
C60Pd4,9 + H2 1-3 ^ 400-550 ^ C60Pd4.9Hx ^ C60Pd4,9+ H2
C«^ + H2 1-3 Mna, 600-700 К> C60Hx + PdHy Сб0 +
+ 4,9 Pd + R.
Рис. 3. Синтезируемые в лаборатории углеродные наноматериалы Fig. 3. Carbon nanomaterials synthesized in Laboratory
Подробно изучено взаимодействие полученных углеродных наноматериалов с водородом. В результате проведенных исследований синтезированы прямым взаимодействием фуллерита с водородом кристаллические гидрофуллерены, изучены их структура и свойства, разработан метод расширения решеток фуллерита путем проведения их гидрирования с последующим дегидрированием. Разработаны методики гидрирования фуллерен-металлических композиций, найдены оптимальные условия обратимого взаимодействия, предложен механизм реакции и изучены химические превращения в системе фуллерен-ме-талличес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.