Оценка диффузионно-кинетических и термодинамических характеристик Al-Sm-H сплавов

Аннотация

Металлогидридные системы хранения водорода в настоящее время выпускаются промышленностью, и спрос на них постоянно растет. Его характеризует уникальное сочетание свойств систем металл-водород, возможность достижения экстремально высоких объемных плотностей атомов водорода в матрице металла, широкий диапазон рабочих давлений и температур, избирательность процесса поглощения водорода, значительные изменения физических свойств металла при его насыщении водородом, каталитическая активность и ряд других особенностей. Целью настоящей работы является исследование температуры катодной поляризации на диффузионно-кинетические, термодинамические и физические свойства Al-Sm-H сплавов.
В данной работе в качестве образцов использовались электроды Al-Sm-H сплавов, полученные электрохимическим способом по методу катодного внедрения в 0.5 М растворе салицилата самария в диметилформамиде при Екп = –2.9 В (относительно неводного хлорсеребряного электрода) и температуре 25 °С в течение 1 часа. Методом электродвижущих сил определялись термодинамические характеристики: свободная энергия Гиббса (ΔG), энтропия (ΔS), энтальпия
(ΔH). Потенциостатический метод позволил рассчитать диффузионно-кинетические характеристики: константы внедрения, адсорбцию, а также плотность тока в момент включения и коэффициент диффузии. Микроструктурный анализ позволил установить влияние температуры на изменения морфологии поверхности.
Установлено, что значения ΔG, ΔS, ΔH возрастают с увеличением температуры, что свидетельствует о повышении доли разупорядочения системы с ростом температуры. Тем не менее, рассчитанные характеристики хорошо согласуются с литературными данными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фатеев В. Н., Алексеева О. К., Коробцев С. В.,
Серегина Е. А., Фатеева Т. В., Григорьев А. С., Али-
ев А. Ш. Проблемы аккумулирования и хранения
водорода. Chemical Problems. 2018;16(4): 453–483.
DOI: https://doi.org/10.32737/2221-8688-2018-4-453-483
2. Kaur M., Pal K. Review on hydrogen storage
materials and methods from an electrochemical viewpoint.
Journal of Energy Storage. 2019;23: 234–249.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2019.03.020
3. Kumar D., Muthukumar K. An overview on activation
of aluminium-water reaction for enhanced
hydrogen production. Journal of Alloys and Compounds.
2020;835: 155189. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155189
4. Litvinov V., Okseniuk I., Shevchenko D., Bobkov
V. SIMS study of the surface of lanthanum-based
alloys. Ukrainian Journal of Physics. 2018;62(10): 845.
DOI: https://doi.org/10.15407/ujpe62.10.0845
5. Schneemann A., White J. L., Kang S., Jeong S.,
Wan L. F., Cho E. S., Heo T. W., Prendergast D., Urban
J. J., Wood B. C., Allendorf M. D., Stavila V. Nanostructured
metal hydrides for hydrogen storage. Chemical
Reviews. 2018;118(22): 10775–10839. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00313
6. Wang Y., Chen X., Zhang H., Xia G., Sun D., Yu X.
Heterostructures built in metal hydrides for advanced
hydrogen storage reversibility. Advanced Materials.
2020;32(31): 2002647. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202002647
7. von Colbe J. B., Ares J. R., Barale J., Baricco M.,
Buckley C., Capurso G., Gallandate N., Grant D. M.,
Guzik M. N.; Jacob I., Jensen E. H., Jensen T., Jepsen J.,
Klassen T., Lototskyy M. V., Manickam K., Montone A.,
Puszkiel J., Sartori S., Sheppard D. A., Stuart A., Walker
G., Webb C. J.,Yang H.,Yartys V., Züttel A., Dornheim
M. Application of hydrides in hydrogen storage
and compression: Achievements, outlook and perspectives.
International Journal of Hydrogen Energy.
2019;44(15): 7780–7808. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.104
8. Milanese C., Jensen T. R., Hauback B. C., Pistidda
C., Dornheim M., Yang H., Lombardo L., Zuettel A.,
Filinchuk Y., Ngene P., de Jongh P. E., Buckley C. E.,
Dematteis E. M., Baricco M. Complex hydrides for
energy storage. International Journal of Hydrogen Energy.
2019;44(15): 7860–7874. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.11.208
9. Abe J. O., Popoola A. P. I., Ajenifuja E., Popoola
O. M. Hydrogen energy, economy and storage: review
and recommendation. International Journal of Hydrogen
Energy. 2019;44(29): 15072–15086. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.068
10. He T., Cao H., Chen P. Complex hydrides for
energy storage, conversion, and utilization. Advanced
Materials. 2019;31(50): 1902757. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201902757
11. Luo Y., Wang Q., Li J., Xu F., Sun L., Zou Y.,
Chua H., Li B., Zhang K. Enhanced hydrogen storage/
sensing of metal hydrides by nanomodification. Materials
Today Nano. 2020;9: 100071. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2019.100071
12. Gambini M., Stilo T., Vellini M. Hydrogen storage
systems for fuel cells: Comparison between high
and low-temperature metal hydrides. International
Journal of Hydrogen Energy. 2019;44(29): 15118–15134.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.083
13. Kim, K. C. A review on design strategies for
metal hydrides with enhanced reaction thermodynamics
for hydrogen storage applications. International
Journal of Energy Research. 2018;42(4): 1455–1468.
DOI: https://doi.org/10.1002/er.3919
14. Oliveira A. C., Pavão A. C. Theoretical study of
hydrogen storage in metal hydrides. Journal of Molecular
Modelling. 2018;24(6): 127. DOI: https://doi.org/10.1007/s00894-018-3661-4
15. Møller K. T., Sheppard D., Ravnsbæk D. B.,
Buckley C. E., Akiba E., Li H. W., Jensen T. R. Complex
metal hydrides for hydrogen, thermal and electrochemical
energy storage. Energies. 2017;10(10): 1645.
DOI: https://doi.org/10.3390/en10101645
16. Huot J., Cuevas F., Deledda S., Edalati K., Filinchuk
Y., Grosdidier T., Hauback B.C., Heere M., Jensen
T. R., Latroch M., Sartori S. Mechanochemistry of
metal hydrides: Recent advances. Materials.
2019;12(17): 2778. DOI: https://doi.org/10.3390/ma12172778
17. Tarasov B. P., Fursikov P. V., Volodin A. A., Bocharnikov
M. S., Shimkus Y. Y., Kashin A. M., Yartysc
V. A., Chidzivad S., Pasupathid S., Lotot skyy M. V. Metal hydride hydrogen storage and compression
systems for energy storage technologies. International
Journal of Hydrogen Energy. 2020. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.085
18. Zhao H., Xia J., Yin D., Luo M., Yan C., Du Y.
Rare earth incorporated electrode materials for advanced
energy storage. Coordination Chemistry Reviews.
2019;390: 32–49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2019.03.011
19. Guzik M. N., Mohtadi R., Sartori S. Lightweight
complex metal hydrides for Li-, Na-, and Mg-based
batteries. Journal of Materials Research. 2019;34(6):
877–904. DOI: https://doi.org/10.1557/jmr.2019.82
20. Edward P. P., Kuznetsov V. L., David W. I. F.
(2007). Hydrogen energy. Philosophical Transactions of
the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering
Sciences. 2007;365(1853): 1043–1056. DOI:
https://doi.org/10.1098/rsta.2006.1965
21. Weidenthaler C. Crystal structure evolution of
complex metal aluminum hydrides upon hydrogen
release. Journal of Energy Chemistry. 2020;42: 133–143.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.05.026
22. Kunkel N., Wylezich T. Recent advances in rare
earth-doped hydrides. Zeitschrift für Anorganische und
Allgemeine Chemie. 2019;645(3): 137–145. DOI:
https://doi.org/10.1002/zaac.201800408
23. Milanese C., Garroni S., Gennari F., Marini A.,
Klassen T., Dornheim M., Pistidda, C. Solid state hydrogen
storage in alanates and alanate-based compounds:
A review. Metals. 2018;8(8): 567. DOI: https://doi.org/10.3390/met8080567
24. Гоц И.Ю., Лукьянова В.О. Влияние добавки
редкоземельного металла на прочностные харак-
теристики алюминиевых электродов. Перспектив-
ные материалы. 2020;2: 39–47. DOI: https://doi.org/10.30791/1028-978x-2020-2-39-47
25. Крапивный Н. Г. Определение кинетических
параметров стадии проникновения водорода в
металлы нестационарным электрохимическим
методом Электрохимия. 1981;17(5): 672-677.
26. Крапивный Н. Г. Применение электрохими-
ческой экстракции для изучения наводороживание
металлов. Электрохимия. 1982;18 (9): 1174–1178.
27. Придатко К. И., Чуриков А. В., Волгин М. А.
Определение скорости диффузии лития импульс-
ным потенциостатическим методом. Электрохи-
мическая энергетика. 2003;3(4): 184–191. Режим
доступа: https://energetica.sgu.ru/ru/articles/opredelenie-skorosti-diffuzii-litiya-impulsnympotenciostaticheskim-metodom
28. Ольшанская Л. Н., Терина Е. М., Ничволо-
дин А. Г. Термодинамические характеристики
интеркалатов лития в С8СrO3 электроде, модифи-
цированном добавками графитизированной сажи.
Электрохимическая энергетика. 2001;1(4): 49–53.
Режим доступа: https://energetica.sgu.ru/ru/articles/termodinamicheskie-harakteristiki-interkalatovlitiya-
v-s8cro3-elektrode-modificirovannom
29. Патрикеев Ю. Б., Филянд Ю. М. Сплавы-на-
копители водорода на основе РЗЭ для энергопре-
образующих устройств. Альтернативная энергети-
ка и экология. 2006;7: 32. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=9428372
30. Головин П. В., Медведева Н. А., Скряби-
на Н. Е. Катодное поведение сплавов на основе
титана в реакции выделения водорода. Вестник
Казанского технологического университета.
2012;15(17): 58–61. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=18125773