Новые подходы к разработке композитных материалов и систем хранения водорода на основе сплавов титана с железом

Одной из ключевых проблем водородной энергетики является разработка безопасных и высокоэффективных методов хранения и транспортировки водорода, поскольку применяемые в настоящее время методы (в газообразном состоянии под высоким давлением и в жидком виде при сверхнизкой температуре) требуют соблюдения особых мер по обеспечению безопасности, водород-нейтральных конструкционных материалов и очень дороги. Наиболее компактным и безопасным методом для среднемасштабных систем хранения водорода является металлогидридный, внедрение которого сдерживается высокой стоимостью гидридообразующих сплавов на основе LaNi5 и (Ti,Zr)(Cr,Mn,V)2 зарубежного производства (50 долл./кг). Гидридообразующий интерметаллид TiFe в 5 раз дешевле, имеет такие же водород-аккумулирующие характеристики, а сырьевые и технологические возможности Корпорации «ВСМПО-АВИСМА» (крупнейшего в мире производителя титана) позволят обеспечить отечественное крупнотоннажное производство. Однако использование интерметаллидов TiFe для хранения водорода сдерживается катастрофическим влиянием кислородсодержащих примесей: загрязнение сплава небольшим количеством кислорода приводит к уменьшению водородоемкости из-за изменения фазового состава, примеси кислорода и влаги в водороде ухудшают скорость сорбции водорода из-за пассивации поверхности сплава. Хотя системы водорода с интерметаллидом TiFe и его производными изучаются более 50 лет, в последние годы поиск путей повышения устойчивости их водородсорбционных характеристик к «отравлению» кислородсодержащими примесями в газовой и твердой фазах приобрел особую актуальность. Это подтверждается анализом библиографической базы данных Scopus: из 225 работ, опубликованных в 1976-2022 гг., 90 (40%) приходится на последние 5 лет. Целью проекта является формирование новых подходов к разработке высокоэффективных материалов и систем хранения водорода на основе сплавов титана с железом в ходе комплексных фундаментальных и прикладных исследований, включающих: 1. Анализ факторов, влияющих на реакционную способность расплавов Ti-Fe к кислородсодержащим соединениям и приводящих к нежелательным изменениям фазового состава сплавов после затвердевания. Реализация путей подавления данных эффектов предполагается путем (а) введения раскислителей, (б) твердофазного синтеза при пониженных температурах методами порошковой металлургии и механохимии, (в) корректировки фазового состава в сторону образования гидридообразующих фаз Лавеса. 2. Детальное исследование механизма «отравления» поверхности сплавов Ti-Fe кислородсодержащими примесями в водороде. Повышение устойчивости к «отравлению» предлагается осуществить модификацией поверхности путем (а) осаждения металлов, активирующих диссоциативную хемосорбцию водорода, (б) создания композитов сплавов Ti-Fe с графеноподобными материалами, в т.ч. содержащими наночастицы катализатора, (в) добавки активных порошков гидридов, (г) сочетания вышеуказанных методов. Научная новизна проекта включает комплексный подход к решению поставленных задач на стадиях как приготовления базового сплава Ti-Fe (по п. 1), так и модификации поверхности его частиц (по п.2). Будет использован большой опыт работы участников проекта по созданию новых эффективных водородсорбирующих материалов и аккумуляторов водорода многократного действия, в том числе композитов из субмикронных частиц MgH2, покрытых Ni-графеновой оболочкой, которая повышает скорость гидрирования частиц Mg и дегидрирования MgH2, ускоряет процессы теплопереноса в аккумуляторах водорода, препятствует спеканию субмикронных частиц Mg при разложении MgH2. Расширение предложенных оригинальных идей на модификацию сплавов Ti-Fe российского производства и на формирование композитов на их основе, большой опыт работы коллектива в области водородной энергетики и металлогидридных технологий позволят разработать новые подходы к созданию высокоэффективных металлогидридных композитных материалов и аккумуляторов водорода многократного действия.