Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Строение материи \ Механика деформируемых тел. Упругость. Деформация

Энергетические условия, определяющие размерный диапазон области образования гидрида магния

Энергетические условия, определяющие размерный диапазон области образования гидрида магния

Автор: Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 6, 2023 года.

Бесплатный доступ

Водород - один из самых распространенных элементов в природе, является потенциально приемлемым для зарядки, производства и потребления энергии, а также для использования его в различных отраслях промышленности. Наиболее безопасный способ аккумулирования водорода - металлогидридный, например, в виде гидрида магния, что дает возможность безопасно хранить и транспортировать его. Существенным показателем эффективности системы «металл - водород» является скорость гидридного превращения, которая у магния недостаточно высока. Известно, что при оптимальных термодинамических условиях насыщения магния водородом на кинетику сорбции основное влияние оказывают размер частиц (площадь поверхности), размер кристаллитов/зерен (протяженность границ), различные добавки - катализаторы. Расчеты, выполненные в настоящем исследовании и определяющие возможность зарождения гидрида, основаны на предложенном авторами новом энергетическом соотношении, учитывающем как физико-химические, так и механические факторы. Показано, что оценка размера области фазового превращения на основе минимума полной энергии системы адекватно отражает процессы, происходящие при гидридообразовании в магнии. Размер критического зародыша при фазовом (гидридном) превращении в твердой фазе (магнии) контролируется в том числе соотношением объема и поверхности зарождающейся фазы, аналогично кристаллизации из раствора. Учет механического отклика системы на образование гидрида позволил предложить трактовку ряда явлений, которые регулярно фиксируют в процессе проведения экспериментов. Речь идет о влиянии специальных добавок и механической текстуры, инициирующих ускорение гидридообразования. Полученные результаты позволяют предложить механизм ориентированного зарождения гидрида в текстурированной матрице магния за счет анизотропии упругих характеристик образующейся фазы.

Еще

Магний, гидрид магния, область гидридного превращения, энергетические соотношения, механические факторы

Короткий адрес: https://sciup.org/146282812

IDR: 146282812   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.01

Energy conditions determining size range impacting formation of magnesium hydride

Hydrogen, one of the most abundant elements in nature, is potentially suitable to produce, store and consume clean energy, namely for various industrial uses. The safest technique for hydrogen storage is metal hydride, e.g. as MgH2, with safe facilities to store and transport. A critical indicator of a metal-hydrogen system is the kinetic of hydrogen sorption, which is known particularly low for magnesium. However, under given thermodynamic conditions, the kinetics of magnesium/hydrogen reaction is especially sensitive to the particle size i.e. specific surface, crystallite/grain size i.e. boundary extension and nature of potential additives as catalysts. The present calculations aimed at determining the occurrence of hydride nucleation are based on a new energy ratio, as proposed at first time, which takes into account both physics-chemical and mechanical factors. The calculations of the energy ratio are based on the minimum total energy of the system, which correctly reflects the processes occurring during hydride formation in magnesium. The critical size of a nucleus at the phase formation (hydride) in magnesium is controlled by the ratio of the volume and surface area of the emerging component, similarly to a crystallization process from a solution. The influence of the mechanical response of the system to the formation of hydride allows one to propose an interpretation of some phenomena regularly recorded during such experiments, i.e. the influence of special additives and mechanical texture, which lead to the acceleration of hydride formation. The results obtained suggest a mechanism favoring oriented nucleation of the hydride in a textured magnesium matrix thanks to the anisotropy of the elastic characteristics of the newly formed phase.

Еще

Список литературы Энергетические условия, определяющие размерный диапазон области образования гидрида магния

  • Jehan M., Fruchart D. McPhy-energy's proposal for solid state hydrogen storage materials and systems // J. Alloys Compd. -2013. - Vol. - 580, suppl. 1. - P. S343-S348. DOI: 10.1016/j.jallcom. 2013.03.266
  • Bououdina M., Grant D., Walker G. Review on hydrogen absorbing materials - structure, microstructure, and thermodynam-ic properties // Int. J. Hydrog. Energy. - 2006. - Vol. 31. - P. 177182. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2005.04.049
  • Thermodynamic tuning of Mg-based hydrogen storage alloys: a review / M. Zhu, Y. Lu, L. Ouyang, H. Wang // Materials. - 2013. - Vol. 6 - P. 4654-4674. DOI: 10.3390/ma6104654
  • Correlation between hydrogen storage properties and textures induced in magnesium through ECAP and cold rolling / A.M.J. Jr, G.F. de Lima, M.R.M. Triques [et al.] // Int. J. Hydrog. Energy. - 2014. - Vol. 39. - P. 3810-3821. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.12.154
  • Microstructure Optimization of Mg-Alloys by the ECAP Process Including Numerical Simulation, SPD Treatments, Characterization, and Hydrogen Sorption Properties / N. Skryabina, V. Aptukov, P. Romanov [et al.] // Molecules. - 2019. - Vol. 24, no. 1. - P. 89. DOI: 10.3390/molecules24010089
  • Zaluski L., Zaluska A., Strom-Olsen J.O. Nanocrystalline metal hydrides // J. Alloys Compd. - 1997. - Vol. 253-254. -P. 70-79. DOI: 10.1016/S0925-8388(96)02985-4
  • Structural study and hydrogen sorption kinetics of ball-milled magnesium hydride / J. Huot, G. Liang, S. Boily, A. Van Neste, R. Schulz // J. Alloys Compd. - 1999. - Vol. 293-295. -P. 495-500. DOI: 10.1016/S0925-8388(99)00474-0
  • Zaluska A., Zaluski L., Strom-Olsen J.O. Structure, catalysis and atomic reactions on the nano-scale: a systematic approach to metal hydrides for hydrogen storage // Appl. Phys. A. - 2001. -Vol. 72, no. 2. - P. 157-165. DOI: 10.1007/s003390100783
  • Correlation between hydrogen storage properties and structural characteristics in mechanically milled magnesium hydride MgH2 / N. Hanada, T. Ichikawa, S.-I. Orimo, H. Fujii // J. Alloys Compd. -2004. - Vol. 366. - P. 269-273. DOI: 10.1016/S0925-8388(03)00734-5
  • Hydrogen desorption from ball milled MgH2 catalyzed with Fe / A. Bassetti, E. Bonetti, L. Pasquini [et al.] // Eur. Phys. J. - 2005. - Vol. 43 B. - P. 19-27. DOI: 10.1140/epjb/e2005-00023-9
  • High-energy ball Milling. Mechanochemical processing of nanopowders / M. Sopicka-Lizer [et al.] / Ed. M. Sopicka-Lizer. -Woodhead Publishing in Materials, Cambridge, 2010. - 440 p.
  • Dimensional effects of nanostructured Mg/MgH2 for hydrogen storage applications: A review / T. Sadhasivam, H.-T. Kim, S. Jung, S.-H. Roh, J.-H. Park, H.-Y. Jung // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - Vol. 72. - P. 523-534. DOI: 10.1016/j.rser.2017.01.107
  • Berube V., Chen G., Dresselhaus M. Impact of nanostructuring on the enthalpy of formation of metal hydrides// Int. J. Hydrog. Energy. - 2008. - Vol. 33. - P. 4122-4131. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.05.083
  • Zhang J., Yan S., Qu H. Stress/strain effects on thermo-dynamic properties of magnesium hydride: A brief review // Int. J. Hydrog. Energy. - 2017. - Vol. 42. - P. 16603-16610. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.05.174
  • Tailoring magnesium based materials for hydrogen storage through synthesis: Current state of the art / Y. Sun, C. Shen, Q. Lai [et al.] // Energy Storage Mater. - 2017. - Vol. 10. -P. 168-198. DOI: 10.1016/j.ensm.2017.01.010
  • Asselli A.A.C., Hébert N.B., Huot J. The role of morphology and severe plastic deformation on the hydrogen storage properties of magnesium // Int. J. Hydrog. Energy. - 2014. -Vol. 39. - P. 12778-12783. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.06.042
  • Nanostructured MgH2 prepared by cold rolling and cold forging / D.R. Leiva, R. Floriano, J. Huot [et al.] // J. Alloys Compd. - 2011. - Vol. 509. - P. S444-S448. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.01.097
  • Formation and dissociation of MgH2 in epitaxial Mg thin films / R. Kelekar, H. Giffard, S.T. Kelly, B.M. Clemens // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101. - P. 114311. DOI: 10.1063/1.2736304
  • Nanoscale structure and the hydrogenation of Pd-capped magnesium thin films prepared by plasma sputter and pulsed laser deposition / S. Singh, S.W.H. Eijt, M.W. Zandbergen, W.J. Leger-steee, V.L. Svetchnikov // J. Alloys Compd. - 2007. - Vol. 441, no. 1-2. - P. 344-351. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.09.108
  • H-sorption properties and structural evolution of Mg processed by severe plastic deformation / W.J. Botta, A.M.J. Jr, M. Veron [et al.] // J. Alloys Compd. - 2013. - Vol. 580. - P. S187-S191. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.03.013
  • Improvement of hydrogen storage properties of magnesium alloys by cold rolling and forging / J. Huot, S. Amira, J. Lang, N. Skryabina, D. Fruchart // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2014. - Vol. 63, no.1. - P. 012114. DOI: 10.1088/1757-899X/63/1/012114
  • Nanoscale grain refinement and H-sorption properties of MgH2 processed by High-Pressure torsion and other mechanical routes / D.R. Leiva, A.M. Jorge, T.T. Ishikawa [et al.] // Adv. Eng. Mater. - 2010. - Vol. 12. - P. 786-792. DOI: 10.1002/adem.201000030
  • Hydrogen storage properties of MgH2 processed by cold forging / A.A.C. Asselli, D.R. Leiva, G.H. Cozentino [et al.] // J. Alloys Compd. - 2014. - Vol. 615, suppl. 1. - P. S719-S724. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.01.065
  • Structural information on ball milled magnesium hydride from vibrational spectroscopy and ab-initio calculations / H.G. Schimmel, M.R. Johnson, G.J. Kearley, A.J. Ramirez-Cuesta, J. Huot, F.M. Mulder // J. Alloys Comp. - 2005. - Vol. 393. -P. 1-4. DOI: 10.1016/j.jallcom.2004.08.102
  • Chen Y., Williams J.S. Formation of metal hydrides by mechanical alloying // J. Alloys Compd. - 1995. - Vol. 217. -P. 181-184. DOI: 10.1016/0925-8388(94)01338-1
  • Song M-Y., Bobet J.-L., Darriet B. Improvement in hydrogen sorption properties of Mg by reactive mechanical grinding with Cr2O3, Al2O3 and CeO2 // J. Alloys Compd. - 2002. -Vol. 340. - P. 256-262. DOI: 10.1016/S0925-8388(02)00019-1
  • Hydrogen sorption of Mg-based mixtures elaborated by reactive mechanical grinding / J.-L. Bobet, B. Chevalier, M.Y. Song, B. Darriet, J. Etourneau // J. Alloys Compd. - 2002. -Vol. 336. - P. 292-296. DOI: 10.1016/S0925-8388(01)01883-7
  • Konstanchuk I., Gerasimov K., Bobet J.-L. Mechano-chemically prepared magnesium-based materials for hydrogen storage // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. - 2010. - No. 5. - P. 21-30.
  • Способ гидрирования материала накопителя водорода - магния или титана: пат. № RU2333150C1 / А.Е. Ермаков, Н.В. Мушников, А.А. Мысик, М.А. Уймин. - 2008. - 7 с.
  • Констанчук И.Г., Герасимов К.Б., Bobet J.-L. Механохимические подходы к созданию материалов для аккумулирования водорода на основе гидридов металлов // Химия в интересах устойчивого развития. - 2014. - № 22. - С. 1-9.
  • Konstanchuk I., Gerasimov K., Bobet J.-L. Cooperative effects at formation and decomposition of magnesium hydride in powders // J. Alloys Compd. - 2011. - Vol. 509, suppl. 2. -P. S576-S579. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.10.120
  • Orimo S., Fujii H. Hydriding properties of the Mg2Ni-# system synthesized by reactive mechanical grinding // J. Alloys Comp. -1996. - Vol. 232. - P. L16-L19. DOI: 10.1016/0925-8388(95)02079-9
  • Инновационные технологии. Физические принципы формирования наноструктуры сплавов для обратимого хранения водорода / Н.Е. Скрябина, Д. Фрушар, Г. Жирард, С. Ми-раглиа, В.М. Пинюгжанин, Д. Лева // Вестник ПГУ. Серия Физика. - 2010. - № 1. - С. 91-97.
  • Mechanical behavior of highly reactive nanostructured MgH2 / S. Nachev, P. de Rango, N. Skryabina [et al.] // Int. J. Hy-drog. Energy. - 2015. - Vol. 40. - P. 17065-17074. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.022
  • Modeling progressive absorption of a hydride material particle submitted to hydrogen / L. Bebon, A. Maynadier, D. Chapelle, F. Thiebaud // Int. J. Hydrog. Energy. - 2021. -Vol. 46. - P. 10830-10837. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.160
  • Аптуков В.Н., Романов П.В., Скрябина Н.Е. Механические свойства образцов магниевых сплавов до и после операции РКУП // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2013. - Т. 18, вып. 4. -С. 1990-1991.
  • Аптуков В.Н., Романов П.В., Скрябина Н.Е. Расчет пластического течения в условиях равноканального углового прессования вариационным методом // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. -2013. - Т. 18, вып. 4. - С. 1991-1993.
  • Влияние равноканального углового прессования на механические свойства и микроструктуру образцов магниевых сплавов / В.Н. Аптуков, П.В. Романов, Н.Е. Скрябина, Д. Фрушар // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2014. - № 3. - C. 113-128. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.07
  • Grid method for studying deformed Mg-alloys by equal-channel angular pressing / №Е. Skryabina, V.N. Aptukov, P.V. Romanov, D. Fruchart // PNRPU Mechanics Bulletin. - 2018. -No. 1-2. - Р. 102-107. DOI: 10.15593/perm.mech/eng.2018.1.13
  • Аптуков В.Н., Романов П.В., Скрябина Н.Е. Приближенное решение задачи пластического течения металлического образца при операции РКУП // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. -2016. - Т. 21, вып. 3. - С. 1461-1464.
  • Получение мелкодисперсных материалов на основе магния. Результаты численного моделирования и эксперимент / В.Н. Аптуков, П.В. Романов, Н.Е. Скрябина, D. Fruchart // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2017. - № 3. - С. 5-16. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.3.01
  • Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д. Исследование механического поведения двухфазной композиции Mg-Ni в процессе быстрого сжатия // Вестник ПНИПУ. Механика. -2020. - № 2. - С. 5-15. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.01
  • Effect of temperature on Fast Forging process of Mg-Ni samples for fast formation of Mg2Ni for hydrogen storage / D. Fruchart, V. Aptukov, N. Skryabina, P. de Rango // Int. J. Hydrog. Energy. - 2020. - Vol. 45. - P. 3008-3015. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.11.157
  • Fast forging: a new SPD method to synthesize Mg-based alloys for hydrogen storage / P. de Rango, D. Fruchart, V. Aptu-kov, N. Skryabina // Int. J. Hydrog. Energy. - 2020. - Vol. 45. -P. 7912-7916. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.07.124
  • Значимость теплопроводности и уровня напряжений при фазовом (гидридном) превращении в магнии / В.Н. Аптуков, Ю.И. Цирульник, Н.Е. Скрябина, Д. Фрушар // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2021. - № 3. - C. 12-21. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.02
  • Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д. Энергетические условия формирования гидрида магния // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2022. - № 2. - С. 23-35. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.2.03
  • Маллин Дж.У. Кристаллизация / пер. с англ. канд. техн. наук В.Н. Вигдоровича. - М.: Металлургия, 1965. -342 с.
  • Качанов Л.М. Основы механики разрушения. - М.: Наука, 1974. - 312 с.
  • Аптуков В.Н. Об энергетических условиях образования сферических микродефектов в упругопластической среде // Деформирование и разрушение композитов. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1985. - С. 61-67.
  • Nicholson D.W. A note on void growth in ductile metals // Acta Mechanica. - 1979. - Vol. 34, no. 3-4. - P. 263-266. DOI: 10.1007/BF01227991
  • Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. -М.: Наука, 1975. - 576 с.
  • Varin R.A., Czujko T., Wronski T.Z. Nanomaterials for Solid State Hydrogen Storage. - N.Y.: Springer, 2009. - 338 p. DOI: 10.1007/978-0-387-77712-2
  • Auxetics among 6-constant tetragonal crystals / R.V. Goldstein, V.A. Gorodtsov, D.S. Lisovenko, M.A. Volkov // Letters on materials. - 2015. - Vol. 5, no. 4. - P. 409-413. DOI: 10.22226/2410-3535-2015-4-409-413
  • Епишин А.И., Лисовенко Д.С. Экстремальные значения коэффициента Пуассона кубических кристаллов // Журнал технической физики. - 2016. - Т. 86, вып. 10. - С. 74-82. DOI: 10.1134/S1063784216100121
  • Муслов С.А. Характеристики упругой анизотропии кристаллов Ti-Ni с памятью формы и их связь с экстремальными значениями коэффициента Пуассона // Письма о материалах. - 2021. - Т. 11, № 1. - С. 28-32. DOI: 10.22226/24103535-2021-1-28-32
  • Городцов В.А., Лисовенко Д.С. Модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига для гексагональных кристаллов // Вестник ЧГПУ им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. - 2019. - № 2.- С. 91-116. DOI: 10.26293/chgpu.2019.40.2.009
  • Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высш. школа, 1984. - 376 с.
  • Huot J., Skryabina N.Ye., Fruchart D. Application of Severe Plastic Deformation Techniques to Magnesium for Enhanced Hydrogen Sorption Properties // Metals. - 2012. - Vol. 2, no. 3. - P. 329-343. DOI. 10.3390/met2030329
  • Палатник Л.С., Папиров И.И. Ориентированная кристаллизация. - М.. Металлургия, 1964. - 408 с.
  • Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. в 2 ч.. пер. с нем. - М.. Изд-во иностр. лит., 1962. -Ч. 1. - 415 с. DOI. 10.1007/978-3-642-52680-0
  • MgH2 -> Mg phase transformation driven by a high-energy electron beam. An in situ transmission electron microscopy study / B. Paik, I.P. Jones, A. Walton, V. Mann, D. Book, I.R. Harris // Philosophical Magazine Letters. - 2010. - Vol. 90, no. 1. - P. 1-7. DOI. 10.1080/09500830903272892
  • Friedlmeier G., Groll M. Experimental analysis and modelling of the hydriding kinetics of Ni-doped and pure Mg // J. Alloys Compd. - 1997. - Vol. 253-254. - P. 550-555. DOI. 10.1016/S0925-8388(96)03003-4
  • Measurements of the diffusion of hydrogen atoms in magnesium and Mg2Ni by neutron scattering / J. Töpler, H. Buchner, H. Säufferer, K. Knorr, W. Prandl // J. Less-Comm. Metals. -1982. - Vol. 88, no. 2. - P. 397-404. DOI. 10.1016/0022-5088(82)90248-X
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp