Физики ТПУ предложили подход для создания материалов водородной энергетики с заданными свойствами

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали метод, который может изменить подход к созданию материалов для водородной энергетики. Вместо долгих экспериментов по подбору компонентов исследователи предлагают целенаправленно проектировать структуру материала, чтобы получить нужные характеристики хранения и транспорта водорода.

Ключевая проблема водородной энергетики долгое время заключалась в отсутствии четких физических принципов, связывающих структуру материала с его функциональными свойствами. Разработка металлогидридных систем в основном опиралась на эмпирику: ученые перебирали составы и добавки, а затем экспериментально проверяли их эффективность. Механизмы того, как дефекты в структуре влияют на поведение водорода, оставались малоизученными.

Метод in situ наблюдения

Для решения этой задачи физики ТПУ применили метод in situ позитронной аннигиляционной спектрометрии. Он позволяет в реальном времени наблюдать за эволюцией дефектной структуры материала в процессе сорбции и десорбции водорода. Созданный исследовательский комплекс выдерживает давление до 5 МПа и температуру до 900 °C, что приближает условия эксперимента к реальным эксплуатационным режимам.

«Большинство существующих методов фиксируют состояние материала до и после взаимодействия с водородом, фактически исключая динамику процессов. В данном подходе мы наблюдаем эволюцию дефектной структуры в реальном времени и можем связать ее с кинетикой накопления и выделения водорода. Это принципиально меняет тип получаемых данных — от статических „снимков“ к описанию работающего материала», — поясняет соавтор исследования, профессор отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Роман Лаптев.

Роль дефектной архитектуры

В качестве модельных объектов ученые изучили серию композитов на основе гидрида магния с различными добавками, разработанными ранее в ТПУ. Эти материалы считаются перспективными для твердофазного хранения водорода из-за высокой емкости и безопасности. Применение нового подхода показало, что кинетика процессов хранения водорода определяется не только химическим составом, но и пространственно-временной организацией дефектов, интерфейсов и структурных неоднородностей на нескольких масштабных уровнях.

Исследователям удалось установить механизмы действия углеродных наноструктур, металлоорганических каркасов, наноразмерных металлических добавок и интерметаллидных фаз. В частности, добавление наноразмерного никеля не только катализирует процесс, но и формирует устойчивые дефектные конфигурации и интерметаллидные фазы, которые радикально меняют кинетику переноса водорода и снижают энергетические барьеры его выделения и поглощения.

«На протяжении многих лет в области материалов для хранения водорода был накоплен значительный массив экспериментальных данных, однако отсутствовала связная картина, объясняющая роль различных добавок на уровне механизмов. В нашей работе удалось выявить эти механизмы и показать, что именно дефектная архитектура определяет кинетику процессов сорбции и десорбции. Это позволяет перейти от подбора компонентов к управляемому проектированию функционального поведения материалов», — отмечает соавтор, доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров.

Результаты работы опубликованы в журнале Bulletin of Materials Science. По мнению авторов, их работа устанавливает новый принцип материаловедения водородной энергетики: функциональные свойства определяются не составом и набором добавок, а управляемой эволюцией дефектной архитектуры в рабочих условиях. Это открывает путь к предсказательному проектированию систем хранения и транспорта водорода.