Кинетика поглощения водорода из газовой фазы диффузионными фильтрами-мембранами на основе палладия
В современном мире развитие технологического прогресса неразрывно связано с переходом к ресурсосберегающим экологически безопасным технологиям. Необходимость развития водородной энергетики, термоядерного синтеза требуют решения вопроса повышения безопасного производства, хранения и транспортировки водорода. Проблема же широкого применения водорода в технологических циклах заключается в неравновесной динамике взаимодействующих с водородом открытых металлических систем. Высокая подвижность и проникающая способность водорода позволяют ему влиять на многие структурочувствительные свойства материалов.
В этой связи исследования взаимодействия водорода с металлическими системами, а тем более условия возникновения и развития в них двухфазной области взаимного превращения гидрида водорода (?-фазы) и разбавленного твердого раствора водорода (?-фазы), имеют широкое прикладное значение и актуальны для фундаментальных исследований физики конденсированной среды.
В ряду интересных и значимых для исследований металлических систем сплавы на основе палладия занимают особое положение, так как палладий обладает уникальным природным свойством впитывать водород — до 860 объемов на один объем металла. И это свойство избирательной проницаемости к водороду наследуют твердые растворы палладия с различными легирующими добавками. Элементы легирования помогают улучшать прочностные характеристики металлических систем, что важно при изготовлении диффузионных фильтров мембран, применяемых в процессах сепарации из газовых смесей уникального по своим свойствам водорода. Уникального, так как мембраны на основе палладия позволяют получать водород высокого уровня чистоты (99.9999%), биологически совместимый с человеческим организмом.
Исследуемый в настоящей работе сплав, Pd-7масс. % Y, входит в триаду металлических систем с лучшими показателями по водородопроницаемости и прочности. Иттрий — исключительный легирующий элемент, который и в «чистом» виде обладает стабильной валентностью (+3) и хорошо поглощает водород. Но значительное различие размеров атомов металлов (1.376 ? и 1.776 ? для палладия и иттрия, соответственно) создает поля деформационных напряжений в кристаллической решетке твердого раствора и трудности по сохранению гомогенности состава при тепловом и водородном воздействии.
Внимание российских научно-исследовательских групп сплав привлекал и ранее. Так, в лаборатории рентгеноструктурного анализа нашей кафедры (кафедра физики твердого тела физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова) в 2007-2008 годах совместно с исследователями группы под руководством чл.-корр. Академии наук Г.С. Бурханова в диффузионных фильтрах-мембранах сплава аналогичного состава рассматривались фазовые превращения под воздействием водорода.
Получение сведений об изменениях структурного состояния гидрированных систем Pd-Y для улучшенияих показателей прочности, водородопроницаемости и эффективности определило цель и совместной нашей с коллегами работы, которая представлена в публикации: Акимова О.В., Велигжанин А.А., Светогоров Р.Д., Горбунов С.В., Рошан Н.Р., Бурханов Г.С. Кинетика поглощения водорода из газовой фазы диффузионными фильтрами-мембранами системы Pd-Y. Физика металлов и металловедение, 2020, том 121, № 2, с.172-178, DOI: 10.1134/S0031918X20020027.
(а) (б)
Рис.1. (а) Двумерная дифрактограмма, снятая с одного из исследуемых диффузионных фильтров-мембран до гидрирования; (б) Электронно-микроскопическое изображение поверхности этого мембранного фильтра
Для решения поставленной задачи проведено исследование структурного состояния диффузионных фильтров-мембран Pd-7масс. % Yпри различных режимах гидрирования методами рентгеновской дифракции с использованием источника синхротронного излучения Курчатовского научно-исследовательского центра. Уникальное оборудование станции рентгеноструктурного анализа обеспечило высокую информативность и достоверность полученных результатов. Морфология поверхности мембран исследована методом сканирующей электронной микроскопии на растровом микроскопе высокого разрешения Supra_MSU.
Рис.2. Изменение состояния поверхности исследуемого диффузионного фильтра в результате проведения гидрирования.
В результате комплексного изучения структурного состояния сплава и его изменений в процессах гидрирования установлено влияние исходного состояния металлической системы на формирование области несмешиваемости фаз различной концентрации водорода, ? и ?.Проведено уточнение границ возникновения таких областей в системе Pd–Y–H. Последнее — наиболее значимый результат этой работы. Хотя здесь сложно провести границу — высокоточные исследования наиболее перспективного мембранного сплава, изготовленного с высоким уровнем гомогенности (рис. 1) российской научно-исследовательской группой актуальны и важны в реалиях современного мира. В работе проведена оценка влияния водорода на диспергирование субструктуры сплава, микродеформации кристаллитов.
Рис. 3. Дифрактограммы сплава, находящегося после гидрирования в области (???), т.е. в области несмешиваемости гидрида (?-фаза) и разбавленного твердого раствора водорода в кристаллической решетке (?-фаза). Цифры 1 и 2 отмечают различные состояния сплава. О прохождении фазовых превращений свидетельствует изменение формы дифракционных отражений. Пунктирная линия показывает изменение углового положения отражений при уходе водорода из открытой системы
Перспектива подобных исследований — развитие новых технологий для создания функциональных материалов с особыми физическими свойствами, что обеспечит улучшенные показатели прочности и водородопроницаемости мембранных металлических фильтров и позволит сделать процессы получения и хранения высокочистого водорода более эффективными и безопасными.
Акимова О.В., научный сотрудник кафедры физики твердого тела, лаборатория рентгеноструктурного анализа