Электрохимическое образование гидридов магния

Габов А.Л., Надольский Д.С., Бортник А.Г., Рангулова А.Р., Пьянков Д.В., Лисина С.С. ПГНИУ, Пермь

Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии имеют большую актуальность для сельского хозяйства [1]. К ним можно отнести установки с применением солнечной и ветровой энергии. Применение солнечных и ветровых электростанций не оказывает практически никакого влияния на экологию окружающей среды, что очень важно в сельском хозяйстве. В особенности это целесообразно для малых локализованных ферм и сельских домов. Однако основной проблемой является тот факт, что для автономных солнечных и ветряных электростанций необходимо использовать системы аккумулирования энергии или резервные генераторы. Очевидно, наиболее перспективным способом резервирования энергии в небольших объемах являются электрохимические перезаряжаемые источники тока.  Сейчас в основном такими системами являются химические аккумуляторы и дизельные генераторы с инверторами напряжения и блоками управления. В зависимости от вида аккумулятора разнится их стоимость и срок службы. Для запасания энергии в больших количествах, возможно, выгоднее использование установки по получению резервного источника энергии - водорода, который можно использовать практически во всех регионах земного шара. С помощью водорода как энергоносителя могут быть удовлетворены не только потребности в электрической и тепловой энергии, но он может служить также в качестве топлива в быту и для транспортных средств [2]. Поэтому данное явление представляет собой большой научный и прикладной интерес.

Наиболее перспективным и безопасным является хранение в связанном состоянии, например, в составе металлогидридов. В данной работе изучалось применение электрохимического наводороживания в электролите 1М КОН без деаэрации для литого магния при разных временах гидрирования. Магний выбран из-за относительно высокой емкости по водороду – до 7,6% (масс%) для  MgH₂ при одновременно низкой стоимостью магния [3].

Фазовый состав исследовался с помощью дифрактометра D8 Advance ECO (Bruker, Германия) в кобальтовом излучении без монохроматора. Дифрактограммы были сняты в диапазоне углов 15-100° с шагом 0,016° и временем на каждый шаг 10 секунд.

Подобран режим жесткого наводороживания (1,5 А  и 15 В),  при котором образуется тетрагональный гидрид магния. При еще более жестких условиях магний разрушается с образованием частиц (порошка) гидроксида магния, а гидрид не образовывается. При более мягких режимах разрушение образца не идет, но также не идет и гидридообразование.

Сняты дифрактограммы образцов с временем наводороживания 2,4 и 8 часов (рис.1). Выяснено, что с увеличением времени гидрирования увеличивается содержание фаз тетрагонального гидрида магния и гидроксида магния.

С помощью программы EVA получены данные по размерам элементарных ячеек фаз. С изменением времени гидрирования эти параметры для гидрида и гидроксида магния не изменяются, а при увеличении времени с 2 часов до 4-8 параметры решетки магния уменьшаются с а=3,21202÷3,21264 Å и с=5,21417÷5,22133 Å до а=3,20822÷3,20900 и с=5,20903-5,21210 соответственно.

В результате работы показана возможность формирования гидрида магния электрохимически, однако присутствие большого количества оксида магния может помешать для практической реализации данного метода получения гидридов.

Рис. 1. Увеличенная дифрактограмма с 3 наложенными спектрами образцов с разными временами гидрирования.

Для активации процессов гидрирования как электрохимического, так и газофазного могут быть использованы добавки в магний легирующих компонентов (катализаторов) и/или увеличения поверхности, например, путем анодной обработки [4].

Кроме того, известно [5], что при механических воздействиях (методы интенсивной пластической деформации) на магний и его сплавы происходит изменение  размера зерен металла, а так же части структуры поверхностного слоя, что влияет на способность металла или сплава к аккумулированию водорода.

Работа выполнена при поддержке госзадания №2014/153 (работа № 157)

Литература

1. Гайшук К.О. Инновации в сельском хозяйстве 2013. Вып. 3. С.17-18.

2. Малышенко С.П. Водород как аккумулятор энергии в энергетике РХЖ 1997. Т. XLI, С. 112-120

3. Sakintura B., Lamari-Darkim F., Hirscher M. Int. J. Hydrogen Energy 2007. 32. P. 1121-1140

4. Тетерина А.А., Медведева Н.А., Скрябина Н.Е., Габов А.Л. Вестник ТГУ 2013. Вып.5. С.2244-2247.

5. Габов А.Л., Хренова А.А., Медведева Н.А., Скрябина Н.Е. и др. Изв. Вузов. Химия и хим. технология 2014. Т. 57, вып. 12. С.52-55.