Физико-химические основы создания эффективных водород-аккумулирующих материалов

Объектами настоящего исследования являются водород-аккумулирующие материалы на основе интерметаллидов редкоземельных и 3d-металлов типов АВ5 и АВ3, сплавов титана и железа типа АВ, магния и его сплавов, различные типы углеродных наноматериалов и композиты на их основе. Цель работы – разработка физико-химических основ создания эффективных водород-аккумулирующих материалов и технологий металлогидридного хранения, генерирования и компримирования водорода, а также водородного аккумулирования энергии. Для осуществления поставленной цели проведены работы по поиску и разработке эффективных водород-аккумулирующих материалов: выявлены лимитирующие стадии процессов в системах металл–водород и разработаны способы их ускорения, установлено влияние состава сплава на процесс гидрирования и разработаны способы регулирования равновесного давления, определены кинетические и термодинамические параметры и разработаны способы их оптимизации, установлены закономерности влияния примесей на сорбцию водорода и разработан металлогидридный способ его выделения, выявлены причины гистерезиса и деградации и разработаны способы увеличения циклической стабильности, установлено влияние состава поверхности на скорости гидрирования и разработаны методы их повышения, синтезированы различные углеродные материалы и исследованы их водородсорбционные свойства, выяснены взаимосвязи «состав-структура-свойство» и разработаны физико-химические основы синтеза и технологии новых материалов, что составляет теоретическая значимость и новизну научной работы. Для создания эффективных водород-генерирующих материалов проведена работа по выявлению закономерности термолиза и гидролиза гидридов для генерации водорода. Для изготовления металлогидридных аккумуляторов, генераторов и компрессоров водорода и созданы материалы с требуемыми технико-эксплуатационными характеристиками и найдены новые технические решения устройств. При проведении исследований использовался комплекс современных методов и высокоточных установок. На основании результатов комплексных физико-химических исследований гидридов металлов, интерметаллидов и сплавов и их композитов с углеродными наноматериалами разработаны подходы к созданию новых водород-аккумулирующих и водород-генерирующих материалов – добавлением катализаторов, изоморфным замещением компонентов, механохимическим воздействием в водороде, использованием углеродсодержащих соединений. На основе установленных закономерностей «состав – структура – свойство» определены оптимальные условия наноструктурирования магниевых сплавов и определены составы с наилучшими водород-аккумулирующими характеристиками. Установлены оптимальные методики и технологии синтеза разных типов углеродных наноматериалов, определены их водородсорбционные характеристики и перспективы использования как носителей металлических катализаторов гидрирования и теплопроводящих добавок к металлогидридам. Разработаны и запатентованы катализаторы гидрирования интерметаллидов, сплавов и магния. Созданы и запатентованы композитные водород-аккумулирующие металлогидридные материалы с катализаторами и установки для их формирования в водородной среде. Разработаны физико-химические подходы к технологии металлогидридного хранения и компримирования водорода и водородного аккумулирования энергии. Изготовлены прототипы устройств на основе разработанных материалов: аккумуляторы водорода, термосорбционные компрессоры водорода, химические генераторы-компрессоры водорода, водородные системы резервного электропитания и аккумулирования электроэнергии. Значимость и новизна работы заключаются в разработке физико-химических основ создания водород-аккумулирующих композитных материалов и технологии металлогидридных аккумуляторов и компрессоров водорода, в установлении закономерностей «состав – структура – свойство», связи реакционной способности со строением и условиями протекания реакций гидрирования. Достоверность и новизна научных результатов подтверждается публикациями и их высокой цитируемостью, прикладных результатов – патентами и наградами на вставках. Учебно-образовательная значимость и новизна работы заключаются в разработке и реализации программ и учебного пособия для подготовки аспирантов и студентов ФИЦ ПХФ И МХ РАН, МГУ, МФТИ и ВШЭ в области водородных технологий.