Ученые ДВФУ с зарубежными коллегами разработали металлические стекла

В ДВФУ сделан шаг к решению одной из главных проблем водородной энергетики. 

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с коллегами из Австрии, Великобритании, Турции, Словакии и России (МИСИС, МГУ) придумали, как насыщать тонкие слои металлических стекол водородом при комнатной температуре, что сильно расширяет диапазон недорогих, энергоэффективных и высокопроизводительных материалов и методов, пригодных   для развития водородной энергетики. Статья об этом опубликована в Journal of Power Sources. 

Ученые разработали аморфную наноструктуру (металлическое стекло на основе FeNi), которую можно применять в водородной энергетике в качестве накопителя и хранилища водорода, в том числе в миниатюрных системах с водородным питанием, где такой накопитель сможет заменить литий-ионную батарею. 

Функционально металлическим стеклом можно заменить дорогостоящий палладий, применяемый в водородных системах сегодня. Таким образом, разработчики подошли к решению проблемы производства экономически целесообразных накопителей, отсутствие которых — главная преграда для развития водородной энергетики в промышленных масштабах. 

«Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной, чистый возобновляемый источник энергии, которым можно заменить используемые сегодня виды топлива. Однако хранение водорода — одна из главных технологических проблем. Один из ключевых материалов, используемых для хранения и катализа водорода, это палладий. «Его высокая стоимость и умеренное сродство к окислительным или восстановительным средам при экстремальных условиях создают большие барьеры для промышленного применения», — объясняет Юрий Иванов, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ, один из участников исследования. — Проблему можно решить с помощью металлических стекол, непрозрачных сплавов аморфных металлов, которые не обладают кристаллической структурой. Эти сплавы имеют более высокую по сравнению с кристаллическим палладием стойкость к агрессивным средам, а их стоимость заметно ниже. Кроме того, в металлических стеклах есть так называемый свободный атомный объем, пространство между атомами, что позволяет в гораздо большей степени «пропитывать» их водородом по сравнению с материалами, которые имеют кристаллическую структуру». 

По словам ученого, металлическое стекло имеет огромный потенциал в энергетическом секторе благодаря аморфной структуре и отсутствию типичных дефектов, характерных для поликристаллических металлов (таких, например, как межзеренные границы), а также высокой стойкости к окислению и коррозии. 

Уникальность исследования заключается в том, что методы электрохимии применили для обогащения водородом (гидрирования) металлических стекол и одновременно для определения их способности поглощать водород. Стандартные методы обогащения материалов водородом (газовая адсорбция) требуют высоких температур и давлений. Это, во-первых, ухудшает характеристики металлических стекол, а во-вторых, в принципе, ограничивает диапазон материалов, доступных для исследования.  В отличие от газовой адсорбции электрохимическое гидрирование приводит к взаимодействию водорода с поверхностью электрода из металлического стекла на основе FeNi при комнатной температуре, как в случае с палладием.  

Предлагаемый электрохимический метод может быть использован в качестве альтернативы общепринятому методу реакции газ-твердое тело для сплавов с низкой емкостью или с низкими скоростями «пропитки»/«высвобождения» водорода. 

Ученые также предложили новую концепцию, которую назвали «эффективным объемом», с ее помощью будут определять, насколько эффективно металлические стекла впитывают и отдают водород. Для этого будут измерять толщину и состав области взаимодействия металлического стекла с водородом с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.  

Цель будущих исследований научной группы — разработать и оптимизировать новые композиции металлических стекол для конкретных энергетических приложений. 

Ранее ученые-материаловеды из ДВФУ, Кембриджа (Великобритания) и Китайской академии наук разработали методику «омоложения» объемных металлических стекол, наиболее интересных для практического применения. Их сделали более пластичными и устойчивыми к сверхкритическим нагрузкам. Доработанные металлические стекла можно применять во множестве областей: от гибкой электроники, разнообразных датчиков и сердечников трансформаторов до медицинских имплантов и защиты спутников.