Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Замена водород-аккумулирующих сплавов редкоземельных металлов и никеля, традиционно применяемых в металлогидридных системах хранения и термосорбционного компримирования водорода, на сплавы титана, включая интерметаллид TiFe, позволит снизить стоимость таких систем в 3–5 раз. Основной проблемой водород-аккумулирующих сплавов титана и железа (в частности интерметаллида TiFe), которые могут производиться в РФ из недорогого и легкодоступного сырья, является ухудшение их водородсорбционных свойств за счет загрязнения сплава кислородом, углеродом и интерметаллидом TiFe2 при выплавке. В ходе выполнения гранта в 2024 году исполнителями проекта (сотрудниками Комплекса лабораторий водородного материаловедения ФИЦ ПХФ и МХ РАН) совместно с коллегами из ГИРЕДМЕТ было показано, что приготовление сплавов титана плавкой в оксидных и графитовых тиглях приводит к загрязнению сплава кислородом, углеродом и интерметаллидом TiFe2, что резко ухудшает его водородсорбционные характеристики. Поэтому большое внимание было уделено оптимизации технологии вакуумной плавки сплавов титана с железом. Особое внимание также уделено влиянию состава футеровки и процедуры формирования тиглей, чистоты исходных металлов и аргона, а также технологических режимов плавки на содержание кислорода и углерода в сплаве. Установлено, что при использовании для выплавки сплавов титана с железом стандартных тиглей на основе магнезитовой массы с добавлением CaF2, SiO2 и Al2O3 происходит взаимодействие металлов с материалом тигля, а при замене стандартных добавок на CaCO3, ZrO2 и Y2O3 – нет, при плавке в корундовом тигле сплав загрязняется кислородом, но покрытием внутренней поверхности тигля нитридом алюминия (AlN) этого можно избежать, уменьшению количества кислорода и углерода способствует предварительное рафинирование железа перед введением титана и мишметалла через систему дозирования. Наименьшее количество кислорода и углерода в сплаве оказалось при следующей процедуре индукционной плавки: откачка воздуха до 0,25 Па, нагрев шихты в тигле до 800-900℃, выдержка для удаления газов, затем – плавление шихты увеличением мощности индуктора, выдержка расплава для обеспечения индукционного перемешивания, заполнение камеры аргоном высокой чистоты под давлением до 33 кПа, после – заливка в стальную изложницу. Такого же качества сплав можно получить, если сначала расплавить железо в тигле, провести вакуумную очистку, затем – заполнять высокочистым аргоном, а после – подавать в плавильную ванну титан и мишметалл, выдержать расплав и заливать в изложницу. При таких технологиях индукционной плавки сплав содержит наибольшее количество основной фазы интерметаллида TiFe – 96,4 % и минимальное количество примесных фаз (TiFe2 – 2,5 мас.% и Ti4Fe2O1–x – 1,2 мас.%). Приготовленный по разработанной оптимальной технологии сплав с наибольшим содержанием основной фазы обладает наилучшими водород-аккумулирующими характеристиками: легко активируется, быстро гидрируется, имеет максимальную обратимую водородоемкость – 1.8 масс.%, высокую циклическую стабильность и может быть использован для изготовления металлогидридного аккумулятора с рабочим интервалом температур 0–100оС и давлений 1–50 атм. Еще большего улучшения водород-аккумулирующих характеристик можно добиться путем создания композитов сплавов с добавками графеноподобного материала (ГПМ) с нанесенными на него наночастицами никеля или железа (М). Формирование композита осуществляется механохимическим воздействием смеси порошков сплава и добавок М/ГПМ в атмосфере водорода в специальном устройстве, разработанном и запатентованном в ходе выполнения гранта. Подана заявка на изобретение на способ приготовления наиболее перспективных составов М/ГПМ, которые в композите обеспечивают катализ процесса диссоциации молекул водорода, улучшают теплопроводность, устраняют возможность спекания высокодисперсных металлических частиц. Научные результаты, выполненные в ходе выполнения гранта в текущем году, представлены в 4 опубликованных статьях, 6 докладах на международных и российских конференциях, использованы в лекциях для студентов МГУ, МФТИ и ЮФУ. Устройство для получения композитных водород-аккумулирующих материалов защищено патентом на полезную модель. На способ получения никель-графенового катализатора гидрирования подана заявка на изобретение.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За отчетный период была исследована взаимосвязь условий приготовления и последующей обработки сплавов на основе интерметаллида TiFe с характеристиками их активации и последующего гидрирования. Показано, что снижение температуры активации нагревом в вакууме возможно путем введения в исходную шихту 1–2 мас.% мишметалла, выполняющего роль раскислителя. Для сплавов состава TiFe, приготовленных таким образом, достижение максимальной водородоемкости (160–180 л H2/ кг) в ходе первого гидрирования наблюдается после вакуумного нагрева до 300°C, что существенно ниже соответствующего значения (450–500°C) для сплавов TiFe, приготовленных стандартными методами. В результате комплексных исследований, включавших определение фазового состава и морфологии исходных образцов и продуктов их гидрирования, в сочетании с детальным изучением характеристик активации и гидрирования, были установлены механизмы гидрирования сплавов на основе интерметаллида TiFe в зависимости от условий их приготовления и последующей обработки. В композитах на основе указанных сплавов с металл-графеновой добавкой наблюдается покрытие частиц сплава графеновыми слоями, на поверхности которых находятся дополнительные активные центры диссоциативной хемосорбции молекул H2 (наночастицы металла-катализатора). Образующиеся на них атомы водорода переносятся в массу сплава по механизму спилловера, тем самым открывая дополнительный канал, способствующий гидрированию сплава. Это приводит к существенному смягчению условий активации сплавов на основе TiFe, первое гидрирование которых не требует предварительного нагрева в вакууме. Полученные результаты заложили основу разработки новой технологии производства высокоэффективных водород-аккумулирующих материалов на основе сплавов титана с железом и композитов на их основе. С использованием полученных результатов была наработана опытная партия водород-аккумулирующего композита оптимального состава, который был использован в разработанных прототипах аккумуляторов водорода емкостью 0.55, 1.5 и 5 м3 H2. Результаты работы вошли в 4 статьи (1 – в журнале Q1), в 3 заявки на патент (1 - зарегистрирован), в 8 докладов на конференциях (6 – приглашенных), в спецкурс «Материалы для водородной энергетики», в аспирантскую работу исполнителя Шамова И.Д.