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   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.01

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
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp