Водородопроницаемость аморфных, нано- и кристаллических сплавов на основе железа и никеля
В.А. Полухин, Н.И. Сидоров, Р.М. Белякова
ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.457
Оригинальная статья
Аннотация: Исследована кинетика проницаемости и диффузии водорода в гидрированых мембранных сплавах на основе Fe и Ni, обладающих функциональными характеристиками, конструкционной прочностью и термостабильностью, и являющихся многообещающей альтернативой дорогим палладиевым сплавам. Изучены прочностные характеристики, термостабильность и устойчивость к водородному охрупчиванию. Рассмотрены механизмы структурирования, диффузии и проницаемости водорода в кристаллическом, аморфном, нанокристаллическом состояниях. Для мембранных сплавов особо важным аспектом является сочетание в открытых структур (аморфных и ОЦК), в то время как для аккумулирования водорода, помимо каналов транспорта (диффузии и проницаемости) также необходимы и высокоплотные интерметаллидные кластеры. Отмечено, что при длительной эксплуатации вследствие возникновения плотных кластерных конфигураций среднего упорядочения, сокращающих диффузионные каналы, начинается снижение через них транспорта водорода.
Ключевые слова: мембранные сплавы, аморфная структура, межатомные связи, кластеры, гидрирование, стеклование, сорбция, диффузия, проницаемость, интерметаллиды, гидриды, водородная энергетика, молекулярная динамика
- Полухин Валерий Анатольевич – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Сидоров Николай Иванович – к.х.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Белякова Римма Михайловна – к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
Ссылка на статью:
Полухин, В.А. Водородопроницаемость аморфных, нано- и кристаллических сплавов на основе железа и никеля / В.А. Полухин, Н.И. Сидоров, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2020. — Вып. 12. — С. 457-473. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.457.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Бурханов, Г.С. Сплавы палладия для водородной энергетики / Г.С. Бурханов, Н.Б. Горина, Н.Б. Кольчугина, Н.Р. Рошан // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеев). – 2006. – Т. L. – № 4. – С. 36-40.
2. Fontana, A.D. Hydrogen permeation and surface properties of PdAu and PdAgAu membranes in the presence of CO, CO2 and H2S / A.D. Fontana, N. Sirini, L.M. Cornaglia, A.M. Tarditi // Journal of Membrane Science. – 2018. – V. 563. – P. 351-359. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.06.001.
3. Гольцов, В.А. Перспективы водородной мембранной технологии: технические и рыночные аспекты / В.А. Гольцов, М.В. Гольцова, Г.И. Жиров, Л.Ф. Гольцова и др. / Берлин – ПМ’2010. Четвертая международная конференция «Платиновые металлы в современной индустрии, водородной энергетике и в сферах жизнеобеспечения будущего», Берлин, Германия, 30 мая - 4 июня 2010: материалы конференции. – М.: Асми, 2010. – С. 80-86.
4. Evard, Е.А. Hydrogen permeability of amorphous and recrystallized iron alloys / E.A. Evard, N.I. Sidorov, I.E. Gabis // Technical Physics. – 2000. – V. 45. – I. 3. – P. 377-379. DOI: 10.1134/1.1259639.
5. Dolan, M.D. Tubular vanadium membranes for hydrogen purification / M.D. Dolan, D.M. Viano, M.J. Langley, K.E. Lamb // Journal of Membrane Science. – 2018. – V. 549. – P. 306-311. DOI: 10.1016/j.memsci.2017.12.031.
6. Белякова, Р.М. Влияние гидридов Ti–H на межатомные взаимодействия и характеристики, легированных Ti мембранных сплавов на основе V–Ni / Р.М. Белякова, В.А. Пивень, Н.И. Cидоров, В.А. Полухин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 74-85. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.074.
7. Kozhakhmetov, S. Alloys based on group 5 metals for hydrogen purification membranes / S. Kozhakhmetov, N. Sidorov, V. Piven, I. Sipatov I., I. Gabis, B. Arinov // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – V. 645. – Supplement 1. – P. S36-S40. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.01.242.
8. Palumbo, O. New studies of the physical properties of metallic amorphous membranes for hydrogen purification /O. Palumbo, F. Trequattrini, S. Suchismita, et al. // Challenges. Special Issue: Selected papers from Thematic Meeting «Materials for Energy». – 2017. – V. 8. – I. 1. – Art. № 4. – 12 p. DOI: doi.org/10.3390/challe8010004.
9. Fagundes, L.G.S. Hydrogen diffusivity and solubility in a Fe–based amorphous metallic alloys / L.G.S. Fagundes, L.F.L. Torres, D.S. dos Santos // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – V. 483. – I. 1-2. – P. 540-543. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.08.100.
10. Ribeiro, M. Hydrogen gas permeation through amorphous and partially crystallized Fe40Ni38Mo4B18 / M. Ribeiro, L. F. Lemus, D. S. Dos Santos // Materials Research. – 2012. – V.15. – № 5. – P. 818-820. DOI: 10.1590/S1516-14392012005000104.
11. Dolan, M.D. Hydrogen transport properties of several vanadium-based binary alloys / M.D. Dolan, M.E. Kellam, K.G. McLennan, D. Liang, G. Song // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – V. 38. – I. 23. – P. 9794-9799. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.05.073.
12. Polukhin, V.A. Structure of alloys Pd1–xSix,Fe1–xPx in liquid and amorphous states / V.A. Polukhin, E.A. Pastukhov, N.I. Sidorov // Physics of Metals and Metallography. – 1984. – V. 57. – I. 3. – Р. 176-179.
13. Belyakova, R.M. Spatial arrangement of the fragmented phases in nanostructured 3d metal alloys during a change in the melt composition and cooling conditions / R.M. Belyakova, V.A. Polukhin, L.K. Rigmant // Russian Metallurgy (Metally). – 2010. – V. 2010. – I. 8. – P. 681-698. DOI: 10.1134/S0036029510080045.
14. Ковнеристый, Ю.К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы / Ю.К. Ковнеристый. – М.: Наука, 1999. – 80 c.
15. Fukai, Y. The metal-hydrogen system: basic bulk properties / Y. Fukai. – 2 nd ed. In: Springer Series in Materials Science. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2004. – XII, 500 p.
16. Belyakova, R.M. Formation of the structure and the properties of multicomponent ironbased alloys as a function of hydrogenated melt solidification conditions / R.M. Belyakova, V.A. Polukhin, N.I. Sidorov // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. – I. 2. – P. 108-115. DOI: 10.1134/S0036029519020058.
17. Полухин, В.А. Моделирование аморфных металлов / В.А. Полухин, Н.А. Ватолин. – М.: Наука, 1985. – 288 с.
18. Suryanarayana, C. Bulk metallic glasses / C. Suryanarayana, A. Inoue. – 2 nd ed. – Boca Raton, London, New York: CRC Press, 2017. – 542 p. DOI: 10.1201/9781315153483.
19. Yang, J.Y. Hydrogen permeation of Pd60Cu40 alloy covered V–15Ni composite membrane in mixed gases containing H2S / J.Y. Yang, C. Nishimura, M. Komaki // Journal of Membrane Science. – 2008. – V. 309. – I. 1- 2. – P. 246-250. DOI: 10.1016/j.memsci.2007.10.036.
20. Ishikawa, K. Hydrogen permeation in anisotropic Nb–TiNi two phase alloys formed by forging and rolling / K. Ishikawa, S. Tokui, K. Aoki // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – V. 42. – I. 16. – P.11411-11421. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.03.127.
21. Jayalakshmi, S. Characteristics of Ni–Nb–based metallic amorphous alloys for hydrogen-related energy applications / S. Jayalakshmi, V.S. Vasantha, E. Fleury, M. Gupta // Applied Energy. – 2012. – V. 90. – I. 1. – P. 94-99. DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.01.040.
22. Wang, Y.I. Direct measurement of hydrogen diffusivity through Pd–coated Ni–based amorphous metallic membranes / Y.I. Wang, J.Y. Suh, Y.S. Lee, et al. // Journal of Membrane Science. – 2013. – V. 436. – P. 195-201. DOI: 10.1016/j.memsci.2013.02.040.
23. Robertson, I.M. Hydrogen embrittlement under stood / I.M. Robertson, P. Sofnis, A. Nagao, et al. // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2015. – V. 46. – I. 3. – P. 1085-1103. DOI: 10.1007/s11663-015-0325-y.
24. Luo, W.M. Highly hydrogen permeable Nb–Ti–Co hypereutectic alloys containing much primary bcc-( Nb,Ti ) phase // W.M. Luo, K. Ishikawa, K. Aoki // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – V. 37. – I. 17. – P. 12793-12797. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.06.005.
25. Kim, S.-M. Hydrogen permeability and crystallization kinetics in amorphous Ni–Nb–Zr alloys / S.-M. Kim, D. Chandra, N.K. Pal, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – V. 37. – I. 4. – P. 3904-3913. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.04.220.
26. Полухин, В.А. Специфика формирования кластерных структур Фриауфа, 2D–упаковок кагоме и фаз Лавеса при гидрировании сплавов титана. Кинетика водорода / В.А. Полухин, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 345-355. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.345.
27. Paglieri, S.N. Hydrogen permeability, thermal stability and hydrogen embrittlement of Ni–Nb–Zr and Ni–Nb–Ta–Zr amorphous alloy membranes / S.N. Paglieri, N.K. Pal, M.D. Dolan, et al // Journal of Membrane Science. – 2011. – V. 378. – I. 1-2. – P. 42-50. DOI: 10.1016/j.memsci.2011.04.049.
28. Polukhin, V.A. Presolidification changes in the structural–dynamic characteristics of glass-forming metallic melts during deep cooling, vitrification, and hydrogenation / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. –I. 8. – P. 758-780. DOI: 10.1134/S0036029519080123.
29. Chiang, W.-C. Hydrogen permeation in Fe40Ni38Mo4B18 and Fe81B13,5Si3,5C2 amorphous alloys / W.-C. Chiang, W.-D. Yeh, J.-K. Wu // Materials Letters. – 2005. – V. 59. – I. 19-20. – P. 2542-2544. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.03.042.
30. Shariq, A. Studying nearest neighbor correlations by atom probe tomography (APT) in metallic glasses as exemplified for the Fe40Ni40B20 glassy ribbons / A. Shariq, T. Al-Kassab, R. Kirchheim // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – V. 512. – I. 1. – P. 270-277. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.09.079.
31. Du, S.W. Crystallization and magnetic properties of Fe40Ni38B18Mo4 amorphous alloy / S.W. Du, R.V. Ramanujan // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2005. – V.351. – I. 37-39. – P. 3105-3113. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2005.07.028.
32. Vatolin, N.A. Simulation of the influence of hydrogen on the structural properties of amorphous iron / N.A. Vatolin, V.A. Polukhin, R.M. Belyakova, E.A. Pastukhov // Materials Science and Engineering. – 1988. – V. 99. – I. 1-2. – P. 551-554. DOI: 10.1016/0025- 5416(88)90396-5.
33. Pastukhov, E.A. Short order and transport in amorphous palladium materials / E.A. Pastukhov, N.I. Sidorov, V.A. Polukhin, V.P. Chentsov // Deffect an Diffusium Forum. – 2009. – V. 283-286. – P. 149-154. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.283-286.149.
34. Ухов, В.Ф. Межчастичные взаимодействия в жидких металлах / В.Ф. Ухов, Н.А. Ватолин, Б.Р. Гельчинский, В.П. Бескачко, О.А. Есин. – М.: Наука, 1979. – 195 с.
35. Полухин, В.А. Моделирование разупорядоченных и наноструктурированных фаз // В.А. Полухин, Н.А. Ватолин. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2011. – 462 с.
36. Rodmacq, B. Neutron diffraction study of the crystallization of hydrogenated CuTi amorphous alloys / B. Rodmacq, P. Goudeau, J. Pannetier, A. Chamberod // Materials Science and Engineering. – 1988. – V. 97. – P. 391-394. DOI: 10.1016/0025-5416(88)90080-8.
37. Ishikawa, K. Microstructure and hydrogen permeability in Nb–TiFe alloys / K. Ishikawa, S. Watanabe, K. Aoki // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – V. 566. – P. 68-72. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.02.174.
38. Polukhin, V.A. Formation of a intermediate order in metallic glasses and a long order in nanocrystalline alloys with allowance for the character of binding and the transformation of the short order in a melt / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – V. 2018. – I. 2. – P. 95-109. DOI: 10.1134/S0036029518020167.
39. Mizgalski, K.P. The characterization of crystallization in Metglas 2826 MB Alloy / K.P. Mizgalski, O.T. Inal, F.G. Yost, M.M. Karnowsky // Journal of Materials Science. – 1981. – V. 16. – I. 12. – P. 3357-3364. DOI: 10.1007/BF00586297.
40. Dos Santos, D.S. Hydrogen solubility in amorphous and crystalline materials / D.S. Dos Santos, P.E.V. De Miranda // International Journal of Hydrogen Energy. – 1998. – V. 23. – I. 11. – P. 1011-1017. DOI: 10.1016/S0360-3199(98)00025-1.
41. Yan, E. Changes in microstructure, solidification path and hydrogen permeability of Nb–Hf–Co alloy by adjusting Hf Co / ratio / E. Yan, L. Sun, F. Xu, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – V. 41. I. 3. – P. 1391-1400. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.12.023.
42. Suzuki, A. Quantitative evaluation of hydrogen solubility and diffusivity of V–Fe alloys toward the design of hydrogen permeable membrane for low operative temperature / A. Suzuki, H. Yukawa, T. Nambu, Y. Matsumoto, Y. Murata // Materials Transactions. – 2016. – V. 57. – I. 10. – P. 1823-1831. DOI: 10.2320/matertrans.MAW201604.