Томские ученые разработали систему математического моделирования проницаемости и взаимодействия водорода с другими элементами высокоэнтропийных ниобий-содержащих сплавов.
Исследование проводится при поддержке программы Минобрнауки «Приоритет 2030». По данным пресс-службы ТПУ, сплавы, созданные благодаря математической модели, более эффективны в эксплуатации и менее затратны в производстве.
Зачем нужны фильтры для очистки водорода
Чистый водород используют для водородных топливных элементов, так они прослужат стабильнее и дольше. Но водород, получаемый перспективными и экономически выгодными способами, например, конверсией природного газа, газификацией угля, пиролизом промышленных отходов, имеет в своем составе очень большое количество примесей.
Разработка эффективных фильтров для очистки водорода — актуальная задача для водородной энергетики и науки в целом. Одним из наиболее эффективных и устойчивых к водороду мембранных материалов является палладий и его сплавы. Но применение таких мембран в промышленном производстве нецелесообразно ввиду их высокой стоимости.
Поэтому политехники моделируют и синтезируют высокоэнтропийные сплавы, содержащие ниобий, никель, кобальт и ряд других элементов.
Высокоэнтропийные сплавы обладают набором уникальных свойств за счет так называемого коктейльного эффекта от разных элементов. Они образуют единую кристаллическую решетку, не испытывают фазовых превращений в широком диапазоне температур. Варьируя состав сплава, мы можем менять микроструктуру и кристаллическую решетку материала для улучшения проницаемости водорода при относительно низких температурах.
Во время прохождения газа через мембранный фильтр молекула водорода при нагреве диссоциирует на атомы. Единичные атомы водорода проникают в материал и диффундируют в кристаллической решетке.
Пройдя через металл, они снова соединяются в молекулу на внешней поверхности, где и получается чистый водород. Этот процесс зависит от того, как быстро движется водород в кристалле и как много водорода может вобрать в себя материал.
В рамках реализации проекта ученые Томского политеха разработали новые численные модели, позволяющие проводить оценку подвижности водорода при прохождении через многокомпонентные и высокоэнтропийные сплавы, содержащие ниобий.
Они позволят ученым проводить выбор и оптимизацию сплавов с низкой энергией активации сорбции и десорбции водорода, а также фазовой стабильностью в широком диапазоне температур для последующего создания металлических мембран нового поколения на основе высокоэнтропийных сплавов.