Ученые Томского политехнического университета разработали систему математического моделирования проницаемости и взаимодействия водорода с другими элементами высокоэнтропийных ниобий-содержащих сплавов. Такие сплавы являются перспективными материалами для создания металлических мембран глубокой очистки водорода. Они более эффективны в эксплуатации и менее затратны в производстве по сравнению с существующими аналогами. Разработанная политехниками система моделирования позволяет проанализировать и подобрать состав сплава для получения материалов с улучшенными свойствами без многочисленных экспериментов. Исследование проводится при поддержке программы Минобрнауки «Приоритет 2030».
Применение водородных топливных элементов требует использования чистого водорода, что необходимо для обеспечения их стабильности и длительного срока службы. Водород, получаемый перспективными и экономически выгодными способами, такими как конверсия природного газа, газификация угля, пиролиз промышленных отходов, имеет в своем составе большое количество примесей. Это затрудняет его дальнейшее использование в качестве источника энергии.
Разработка эффективных фильтров для очистки водорода — актуальная задача для водородной энергетики и науки в целом. Одним из наиболее эффективных и устойчивых к водороду мембранных материалов является палладий и его сплавы. Но применение таких мембран в промышленном производстве нецелесообразно ввиду их высокой стоимости.
Ученые отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ занимаются получением высокоэнтропийных сплавов, обладающих высокой водородопроницаемостью и устойчивостью к водородному охрупчиванию. Это одно из немногих исследований, посвященных применению таких сплавов в качестве мембранных материалов. Политехники моделируют и синтезируют высокоэнтропийные сплавы, содержащие ниобий, никель, кобальт и ряд других элементов.
«Металлы пятой группы, к числу которых относится ниобий, являются перспективными, поскольку обладают более высокой проницаемостью водорода, чем палладий. Однако они подвержены водородному охрупчиванию. Решить проблему водородного охрупчивания помогает добавление некоторых переходных металлов. Но зачастую это приводит к снижению водородопроницаемости и требует значительной оптимизации состава для обеспечения фазовой стабильности сплава. Высокоэнтропийные сплавы обладают набором уникальных свойств за счет так называемого коктейльного эффекта от разных элементов. Они образуют единую кристаллическую решетку, не испытывают фазовых превращений в широком диапазоне температур. Варьируя состав сплава, мы можем менять микроструктуру и кристаллическую решетку материала для улучшения проницаемости водорода при относительно низких температурах», — комментирует руководитель проекта, заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Егор Кашкаров.
Во время прохождения газа через мембранный фильтр молекула водорода при нагреве диссоциирует на атомы. Единичные атомы водорода проникают в материал и диффундируют в кристаллической решетке. Пройдя через металл, они снова соединяются в молекулу на внешней поверхности, где и получается чистый водород. Этот процесс зависит от того, как быстро движется водород в кристалле (диффузии) и как много водорода может вобрать в себя материал (растворимости).
В рамках реализации проекта ученые Томского политеха разработали новые численные модели, позволяющие проводить оценку подвижности водорода при прохождении через многокомпонентные и высокоэнтропийные сплавы, содержащие ниобий.
«Для того чтобы провести анализ структурно-фазового состояния синтезируемого материала, его проницаемости и стойкости к водородному охрупчиванию, требуется большое количество экспериментов. Мы проводим моделирование кристаллов и сплавов первопринципными методами. Это позволяет существенно сократить время и трудозатраты по поиску оптимальных составов многокомпонентных сплавов. С помощью расчетов можно определить, как влияют разные элементы на параметры кристаллической решетки, характер взаимодействия водорода с атомами металлов и его диффузию в решетке, и понять их оптимальное соотношение в сплаве для достижения нужных свойств материала», — поясняет доцент отделения экспериментальной физики Леонид Святкин.
Создание численных моделей позволит ученым проводить выбор и оптимизацию сплавов с низкой энергией активации сорбции и десорбции водорода, а также фазовой стабильностью в широком диапазоне температур для последующего создания металлических мембран нового поколения на основе высокоэнтропийных сплавов.
Источник информации и фото: пресс-служба Томского политехнического университета