ТПУ: Высокоэнтропийные сплавы позволят создать мембраны для очистки водорода

Ученые Томского политеха создали систему математического моделирования, которая анализирует проницаемость и взаимодействие водорода с другими элементами в сплавах, содержащих ниобий.

Эти сплавы представляют собой перспективные материалы для производства металлических мембран для очистки водорода. Они более эффективны и экономичны по сравнению с существующими аналогами. Ученые разработали эту систему с целью избежать многочисленных экспериментов при анализе и выборе состава сплава с улучшенными свойствами. Исследование проводится при поддержке программы Минобрнауки «Приоритет 2030».

Применение водородных топливных элементов требует чистого водорода для обеспечения их стабильности и долговечности. Однако водород, получаемый различными способами, содержит много примесей, что затрудняет его использование в качестве источника энергии.

Разработка эффективных фильтров для очистки водорода является актуальной задачей. Ученые занимаются получением высокоэнтропийных сплавов, обладающих высокой водородопроницаемостью и устойчивостью к водородному охрупчиванию. Одно из немногих исследований по применению таких сплавов в качестве мембранных материалов проводится в разделе экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ. Путем моделирования и синтеза ученые стремятся создать материалы с улучшенными свойствами.

Металлы пятой группы, включая ниобий, обладают более высокой проницаемостью водорода по сравнению с палладием, однако подвержены водородному охрупчиванию. Добавление некоторых переходных металлов помогает решить эту проблему. Высокоэнтропийные сплавы обладают уникальными свойствами за счет коктейльного эффекта от различных элементов. Руководитель проекта, Егор Кашкаров, отмечает, что изменяя состав сплава, можно улучшить проницаемость водорода при низких температурах.

Ученые также разработали численные модели для оценки подвижности водорода при прохождении через сплавы, содержащие ниобий.

Доцент отделения экспериментальной физики Леонид Святкин сообщил, что для проведения анализа структурно-фазового состояния материала, его проницаемости и устойчивости к водородному охрупчиванию требуется большое количество экспериментов. Исследователи ТПУ занимаются моделированием кристаллических структур и сплавов с использованием первопринципных методов, что значительно уменьшает время и ресурсы, затрачиваемые на поиск оптимальных составов многокомпонентных сплавов. Расчеты помогают ученым понять, как различные элементы влияют на параметры кристаллической решетки, взаимодействие водорода с металлическими атомами и его диффузию в решетке. Это помогает определить оптимальное соотношение этих элементов в сплаве для достижения нужных свойств материала.

Создание численных моделей позволит ученым выбирать и оптимизировать сплавы с низкой энергией активации сорбции и десорбции водорода, а также обеспечивать фазовую стабильность в широком диапазоне температур. Это ключевой этап перед разработкой нового поколения металлических мембран на основе высокоэнтропийных сплавов.

09.11.2023