Автор: Группа ученых из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Австрии, Турции, Словакии, России (МИСиС, МГУ) и Великобритании нашла способ гидрирования тонких металлических слоев стекла при комнатной температуре. Полученная технология позволяет значительно расширить спектр недорогих, энергоэффективных и высокоэффективных материалов и методов, которые могут быть использованы в области водородной энергетики.
Коллективные усилия ученых позволили разработать аморфную наноструктуру (металлическое стекло на основе FeNi), которая может быть использована в области водородной энергетики для накопления и хранения водорода, в частности, в качестве альтернативы литий-ионных аккумуляторов в малогабаритных системах.
Большое преимущество еще в том, что полученное металлическое стекло способно заменить палладий, весьма дорогой ъимический элемент, который в настоящее время используется в водородных системах.
Отсутствие экономически обоснованных систем хранения энергии является главным препятствием, препятствующим масштабированию водородной энергетики до промышленного уровня.
С новой разработкой команда подошла на шаг ближе к решению этой проблемы, так как водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной, источник чистой возобновляемой энергии, способный заменить все виды топлива, используемого человечеством.
Между тем, хранение представляет собой серьезную технологическую проблему.
Одним из ключевых материалов, используемых для хранения и катализа водорода, является редкоземельный металл палладий. Он очень дорог и имеет низкое сродство к окислительным или восстановительным средам в экстремальных условиях.
Подобные факторы препятствуют использованию водородной энергии на промышленном уровне.
Уже в скором будущем проблему можно будет решить с помощью металлических стекол.
Они являются аморфными металлами и по сравнению с использованием палладия, металлические стекла намного дешевле и более устойчивы к агрессивным средам.
Более того, благодаря так называемому атомному свободному объему (то есть пространству между атомами) такие стекла могут» впитывать «водород эффективнее, чем любые другие материалы с кристаллической структурой», считает Юрий Иванов, доцент кафедры компьютерных систем факультета естественных наук ДВФУ.
По его мнению, металлическое стекло обладает огромным потенциалом в энергетике именно благодаря своей аморфной структуре, отсутствию определенных дефектов, характерных для поликристаллических металлов (таких как границы зерен), а также высокой стойкости к окислению и коррозии.
Уникальность представленной работы заключается в том, что электрохимические методы использовались как для гидрирования металлических стекол, так и для изучения их способности поглощать водород.
Стандартные методы гидрирования (например, адсорбция газов) требуют высокой температуры и давления, что отрицательно сказывается на свойствах металлических стекол и сужает круг материалов, которые могут быть использованы в исследовании.
В отличие от газовой адсорбции, электрохимическое гидрирование вызывает реакцию водорода с поверхностью электрода (изготовленного из металлического стекла FeNi) при комнатной температуре, как и в случае с палладием.
Таким образом, новый метод может работать как альтернатива обычной газотвердой реакции для сплавов с низкой емкостью или скоростью поглощения/высвобождения водорода.
Команда также предложила новую концепцию «эффективного объема», которая может быть использована для анализа эффективности поглощения и выделения водорода металлическими стеклами.
Для этого с помощью электронной микроскопии высокого разрешения и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии измеряют толщину и состав области реакции стекло-водород.
Уже в недалеком будущем команда ученых планирует разработать и оптимизировать новые композиции металлического стекла для практического применения в энергетике.
Тем более, что ранее группа материаловедов из ДВФУ, Кембриджа (Великобритания) и Китайской академии наук разработала метод «омоложения» 3D металлических стекол, которые являются наиболее перспективными для практического использования.
Стекла стали более формируевыми и устойчивыми к сверхкритическим нагрузкам.
В заключении важно понять, что усовершенствованные металлические стекла могут быть использованы во многих областях, от пластмассовой электроники до различных датчиков и сердечников трансформаторов, медицинских имплантатов и защитных покрытий космических спутников.
Статья об исследовании была опубликована в журнале Journal of Power Sources.