RU2793680C1 - Method for obtaining material for absorption and desorption of hydrogen - Google Patents

Method for obtaining material for absorption and desorption of hydrogen Download PDF

Info

Publication number
RU2793680C1
RU2793680C1 RU2022132313A RU2022132313A RU2793680C1 RU 2793680 C1 RU2793680 C1 RU 2793680C1 RU 2022132313 A RU2022132313 A RU 2022132313A RU 2022132313 A RU2022132313 A RU 2022132313A RU 2793680 C1 RU2793680 C1 RU 2793680C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogen
titanium
absorption
desorption
iron
Prior art date
Application number
RU2022132313A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Романович Черников
Александр Васильевич Крохалев
Валентин Олегович Харламов
Сергей Викторович Кузьмин
Владимир Ильич Лысак
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2793680C1 publication Critical patent/RU2793680C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of titanium-based materials used for the absorption and desorption of hydrogen, and intended to be used in hydrogen-consuming energy devices and chemical processes. The method for obtaining material for absorption and desorption of hydrogen consists in using a mixture of iron and titanium powders and their high-temperature treatment, while a mixture of powders of one fraction of 57-68 at.% titanium and 42-32 at.% iron is placed on the surface of a steel substrate and subjected to pressing using explosive loading, the pressed material in the presence of additional titanium powder, taken in a volume ratio to the pressed material equal to 1:1, is subjected to reaction sintering in a welded steel ampoule when heated to 1100°C followed by cooling to a temperature of 22-25°C.
EFFECT: increase in the hydrogen-sorption properties of the intermetallic compound is provided.
1 cl, 2 dwg, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению материалов на основе титана, используемых для абсорбции и десорбции водорода, с целью применения его в энергетических устройствах, потребляющих водород, и химических процессах.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of titanium-based materials used for the absorption and desorption of hydrogen, in order to use it in energy devices that consume hydrogen and chemical processes.

Перспективным аккумулятором и источником водорода среди сплавов на основе титана является интерметаллид TiFe, характеризующийся доступностью и низкой стоимостью.A promising battery and source of hydrogen among titanium-based alloys is TiFe intermetallic compound, which is characterized by availability and low cost.

Известен способ получения сплавов накопителей водорода [патент RU 2532788, МПК B22F 3/11, C22C 1/08, опубл. 10.11.2014] путем механической активации порошка металлического соединения и обработке порошка в реакторе при температуре 100-500°С с последующим прессованием в объемные образцы при давлении не менее 500 МПа, и отжиге в вакууме при температуре 0,3-0,5 температуры плавления интерметаллида.A known method of obtaining hydrogen storage alloys [patent RU 2532788, IPC B22F 3/11, C22C 1/08, publ. November 10, 2014] by mechanical activation of the metal compound powder and processing of the powder in a reactor at a temperature of 100-500°C, followed by pressing into bulk samples at a pressure of at least 500 MPa, and vacuum annealing at a temperature of 0.3-0.5 of the melting point intermetallic.

Однако для достижения начала гидрирования без активации, данный метод предполагает наличие в образце большого количества дефектов и пористого состояния.However, to achieve the onset of hydrogenation without activation, this method assumes the presence of a large number of defects and a porous state in the sample.

Наиболее близким является способ получения интерметаллида [Park K. B. et al. Characterization of microstructure and surface oxide of Ti1,2Fe hydrogen storage alloy //International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - Т. 46. - №. 24. - С. 13082-13087], состав которого описывается формулой Ti1,2Fe. Сплав Ti1,2Fe содержит 54,55 мас.% титана, остальное - железо. Фазовый состав сплава TiFe, Ti2Fe (2,8 мас.%) и β-Ti (мас. 5,4%). Содержание в сплаве фаз богатых титаном значительно улучшило кинетику поглощения водорода в сравнении с TiFe, обеспечило протекание процесса сорбции без активации, а повысило сорбционную ёмкость водорода. Сплав получали посредством вакуумно-дуговой плавки с использованием медного тигля и водяного охлаждения, для достижения однородности слиток нагревали и охлаждали 5 раз с последующим гомогенизационным отжигом в вакууме при температуре 1200°С в течение 10 часов.The closest is the way to obtain intermetallic [Park KB et al. Characterization of microstructure and surface oxide of Ti 1,2 Fe hydrogen storage alloy // International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - T. 46. - No. 24. - S. 13082-13087], the composition of which is described by the formula Ti 1,2 Fe. Alloy Ti 1,2 Fe contains 54.55 wt.% titanium, the rest is iron. The phase composition of the alloy TiFe, Ti 2 Fe (2.8 wt.%) and β -Ti (wt. 5.4%). The content of phases rich in titanium in the alloy significantly improved the kinetics of hydrogen absorption in comparison with TiFe, ensured the sorption process without activation, and increased the sorption capacity of hydrogen. The alloy was obtained by vacuum arc melting using a copper crucible and water cooling, to achieve uniformity, the ingot was heated and cooled 5 times, followed by vacuum homogenization annealing at a temperature of 1200°C for 10 hours.

Недостатком способа является длительная и энергозатратная технология получения, а также не достаточно высокая сорбционная способность интерметаллида.The disadvantage of this method is the long and energy-consuming production technology, as well as the insufficiently high sorption capacity of the intermetallic compound.

Задачей является разработка нового способа получения материала для абсорбции и десорбции водорода, позволяющего повысить в составе фаз Ti2Fe и β-Ti.The task is to develop a new method for obtaining a material for the absorption and desorption of hydrogen, which makes it possible to increase Ti 2 Fe and β -Ti in the composition of the phases.

Техническим результатом является повышение водород-сорбционных свойств интерметаллида.The technical result is to increase the hydrogen-sorption properties of the intermetallic compound.

Технический результат достигается в способе получения материала для абсорбции и десорбции водорода с использованием смеси порошков железа и титана и высокотемпературной обработки, при этом смесь порошков одной фракции 57-68 ат.% титана и 42-32 ат.% железа размещают на поверхности стальной подложки и подвергают прессованию при помощи взрывного нагружения, прессованный материал в присутствии порошка титана, взятого в объемном отношении к прессованному материалу равном 1:1, подвергают реакционному спеканию в заваренной стальной ампуле при нагреве до 1100°С с последующим охлаждением до температуры 22-25°С.The technical result is achieved in a method for obtaining a material for the absorption and desorption of hydrogen using a mixture of powders of iron and titanium and high-temperature processing, while the mixture of powders of one fraction of 57-68 at.% titanium and 42-32 at.% iron is placed on the surface of the steel substrate and subjected to pressing using explosive loading, the pressed material in the presence of titanium powder, taken in a volume ratio to the pressed material equal to 1:1, is subjected to reaction sintering in a welded steel ampoule when heated to 1100°C, followed by cooling to a temperature of 22-25°C.

Сущность способа заключается в взрывном прессовании исходной смеси порошков титана и железа одной фракции и последующей термической обработке полученного прессованного материала с дополнительной порцией порошка титана.The essence of the method consists in explosive pressing of the initial mixture of titanium and iron powders of one fraction and subsequent heat treatment of the resulting pressed material with an additional portion of titanium powder.

Использование взрывного нагружения, приводит к совмещению прессования и активации порошкового материала перед последующим термическим воздействием, что ускоряет процессы диффузии. Заявленный режим термической обработки и оптимальный исходный состав титана и железа позволяет получить наиболее эффективный фазовый состав материала, обеспечивающий повышенные водород-сорбционные свойства.The use of explosive loading leads to the combination of pressing and activation of the powder material before subsequent thermal exposure, which accelerates the diffusion processes. The declared mode of heat treatment and the optimal initial composition of titanium and iron makes it possible to obtain the most effective phase composition of the material, which provides enhanced hydrogen sorption properties.

На фиг. 1 показана схема взрывного нагружения, при которой на стальную подложку 1 (стальное основание) размещают порошковый материал 2, состоящий из смеси порошков одной (одинаковой) фракции титана по ТУ 14-22-57-92 и железа по ГОСТ 9849-86 (толщина размещенного слоя составляет 7 мм), устанавливают поверх него поршень 3 толщиной 1 мм с зарядом 4 взрывчатого вещества (ВВ) из аммонита (6ЖВ) (высота заряда ВВ определяется из условия обеспечения в процессе взрывного нагружения одинаковой температуры разогрева прессуемых материалов), детонатором 5 и детонирующим шнуром 6. Вся схема для взрывного нагружения установлена на песчаной подушке 7.In FIG. 1 shows a diagram of explosive loading, in which a powder material 2 is placed on a steel substrate 1 (steel base), consisting of a mixture of powders of one (identical) fraction of titanium according to TU 14-22-57-92 and iron according to GOST 9849-86 (the thickness of the placed layer is 7 mm), a piston 3 with a thickness of 1 mm is installed on top of it with a charge 4 of an explosive (HE) from ammonite (6ZhV) (the height of the explosive charge is determined from the condition of ensuring the same heating temperature of the pressed materials in the process of explosive loading), detonator 5 and detonating cord 6. The whole circuit for explosive loading is installed on a sand cushion 7.

После взрыва детонатора, происходит инициирование заряда взрывчатого вещества, под действием взрыва которого формируется нормально падающая детонационная волна обеспечивает уплотнение смеси до практически беспористого состояния. Образующийся в результате прессованный материал подвергают реакционному спеканию в заваренной стальной ампуле при нагреве до 1100°С с последующим охлаждением до температуры 22-25°С. Спекание осуществляют в присутствии порошка титана, взятого в объемном отношении к прессованному материалу равном 1:1. Дополнительный объем порошка титана позволяет минимизировать взаимодействие спекаемых образцов с атмосферой ампулы.After the explosion of the detonator, an explosive charge is initiated, under the action of which a normally incident detonation wave is formed, which ensures the compaction of the mixture to an almost pore-free state. The resulting pressed material is subjected to reaction sintering in a welded steel ampoule when heated to 1100°C, followed by cooling to a temperature of 22-25°C. Sintering is carried out in the presence of titanium powder, taken in a volume ratio to the pressed material equal to 1:1. An additional volume of titanium powder makes it possible to minimize the interaction of sintered samples with the ampoule atmosphere.

На фиг. 2 показана микроструктура и фазовый состав полученного сплава.In FIG. 2 shows the microstructure and phase composition of the obtained alloy.

Водород-сорбционные свойства полученных образцов определяли электрохимическим методом. Образцы полученных заявленным способом материалов помещались в электрохимическую ячейку для проведения электролиза.The hydrogen sorption properties of the obtained samples were determined by the electrochemical method. Samples obtained by the claimed method of materials were placed in an electrochemical cell for electrolysis.

Гидрирование проводили при температуре 20°C и атмосферном давлении. Измерения осуществляли в трехэлектродной ячейке с 9 M водным раствором КОН в качестве электролита, Ni(OH)2/NiOOH-противоэлектродом и Hg/HgO-электродом сравнения на потенциостате Electrochemical Instruments P-40X. Потенциал насыщения устанавливался максимально возможным в пределах ограничений, связанных с экспериментально определенным началом выделения на электроде газообразного водорода (-1,25 В для материала с 57 ат.% Ti и -1,175 В для материала с 68 ат.% Ti), время испытания составляло 100 минут.Hydrogenation was carried out at a temperature of 20°C and atmospheric pressure. The measurements were carried out in a three-electrode cell with a 9 M aqueous KOH solution as an electrolyte, a Ni(OH) 2 /NiOOH counter electrode, and an Hg/HgO reference electrode on an Electrochemical Instruments P-40X potentiostat. The saturation potential was set as high as possible within the limits associated with the experimentally determined onset of hydrogen gas evolution on the electrode (-1.25 V for a material with 57 at.% Ti and -1.175 V for a material with 68 at.% Ti), the test time was 100 minutes.

В таблице 1 представлены соотношения порошков титана и железа в составе порошкового материала (изначальное соотношение порошков). Table 1 shows the ratio of titanium and iron powders in the composition of the powder material (the initial ratio of powders).

Таблица 1Table 1 ОбразецSample Состав первоначальной порошковой смеси, мас.%The composition of the initial powder mixture, wt.% Состав первоначальной порошковой смеси, ат.%Composition of the initial powder mixture, at.% Состав материала,
мас.%
The composition of the material
wt%
Высота заряда ВВ, ммHeight of explosive charge, mm
TiTi FeFe TiTi FeFe TiTi FeFe 11 54,254.2 45,845.8 5757 4242 5454 4646 9595 22 60,360.3 39,739.7 6464 3636 6060 4040 9090 33 63,563.5 36,536.5 6767 3333 63,463.4 36,636.6 8585 44 64,5564.55 35,4535.45 6868 3232 64,564.5 35,535.5 8080

Образец 1 представляет собой материал, полученный по заявленному способу с химическим составом по прототипу. Sample 1 is a material obtained by the claimed method with the chemical composition of the prototype.

Фазовые составы и сорбционные свойства полученных образцов представлены в таблице 2.The phase compositions and sorption properties of the obtained samples are presented in Table 2.

Таблица 2table 2 ОбразецSample Фазовый состав полученного материала, масс. %Phase composition of the obtained material, wt. % Сорбционные свойства, мкг/см²Sorption properties, µg/cm² TiFeTiFe Ti2FeTi 2 Fe β-Tiβ-Ti Ti(N,C,O)Ti(N,C,O) 11 74,974.9 17,417.4 0,00.0 7,67.6 1,10081.1008 22 41,641.6 44,744.7 5,15.1 8,78.7 3,99043.9904 33 20,720.7 62,162.1 2,82.8 14,414.4 3,24913.2491 44 9,89.8 73,373.3 13,513.5 3,33.3 5,33675.3367

Из приведенных данных видно, что в состав материала входит титан с примесями азота и углерода Ti(N,C,O), полученные из атмосферы при термообработке и химического состава используемых порошков. It can be seen from the given data that the material contains titanium with impurities of nitrogen and carbon Ti(N,C,O) obtained from the atmosphere during heat treatment and the chemical composition of the powders used.

Таким образом, способ получения материала для абсорбции и десорбции водорода, при котором смесь порошков одной фракции 57-68 ат.% титана и 42-32 ат.% железа размещают на поверхности стальной подложки и подвергают прессованию при помощи взрывного нагружения, прессованный материал в присутствии порошка титана, взятого в объемном отношении к прессованному материалу равном 1:1, подвергают реакционному спеканию в заваренной стальной ампуле при нагреве до 1100°С с последующим охлаждением до температуры 22-25°С, обеспечивает получение интерметаллидов с повышенными водород-сорбционными свойствами.Thus, a method for obtaining a material for the absorption and desorption of hydrogen, in which a mixture of powders of one fraction of 57-68 at.% titanium and 42-32 at.% iron is placed on the surface of a steel substrate and subjected to pressing using explosive loading, the pressed material in the presence of titanium powder, taken in a volume ratio to the pressed material equal to 1:1, is subjected to reaction sintering in a welded steel ampoule when heated to 1100°C, followed by cooling to a temperature of 22-25°C, which ensures the production of intermetallic compounds with increased hydrogen sorption properties.

Claims (1)

Способ получения материала для абсорбции и десорбции водорода с использованием смеси порошков железа и титана и высокотемпературной обработки, отличающийся тем, что смесь порошков одной фракции 57-68 ат.% титана и 42-32 ат.% железа размещают на поверхности стальной подложки и подвергают прессованию при помощи взрывного нагружения, прессованный материал в присутствии дополнительного порошка титана, взятого в объемном отношении к прессованному материалу равном 1:1, подвергают реакционному спеканию в заваренной стальной ампуле при нагреве до 1100°С с последующим охлаждением до температуры 22-25°С.A method for producing a material for the absorption and desorption of hydrogen using a mixture of iron and titanium powders and high-temperature treatment, characterized in that a mixture of powders of one fraction of 57-68 at.% titanium and 42-32 at.% iron is placed on the surface of a steel substrate and subjected to pressing using explosive loading, the pressed material in the presence of additional titanium powder, taken in a volume ratio to the pressed material equal to 1:1, is subjected to reaction sintering in a welded steel ampoule when heated to 1100°C, followed by cooling to a temperature of 22-25°C.
RU2022132313A 2022-12-09 Method for obtaining material for absorption and desorption of hydrogen RU2793680C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2793680C1 true RU2793680C1 (en) 2023-04-04

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1009853A (en) * 1962-12-11 1965-11-17 Du Pont Powder compacting process
RU2002579C1 (en) * 1991-07-02 1993-11-15 Волгоградский Политехнический Институт Powder blast pressing method
RU2218241C2 (en) * 2001-05-28 2003-12-10 Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики Method for making compact high density material of nanometric powder
EP1849551A3 (en) * 2006-04-28 2009-09-09 Admedes Schuessler GmbH Method for processing materials, including introducing an explosive based on porous silicium onto or in the material

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1009853A (en) * 1962-12-11 1965-11-17 Du Pont Powder compacting process
RU2002579C1 (en) * 1991-07-02 1993-11-15 Волгоградский Политехнический Институт Powder blast pressing method
RU2218241C2 (en) * 2001-05-28 2003-12-10 Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики Method for making compact high density material of nanometric powder
EP1849551A3 (en) * 2006-04-28 2009-09-09 Admedes Schuessler GmbH Method for processing materials, including introducing an explosive based on porous silicium onto or in the material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Park K. B. et al. Characterization of microstructure and surface oxide of Ti1,2Fe hydrogen storage alloy. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, N 46, p. 13082-13087. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK174510B1 (en) A method of activating a hydrogen storage electrode as well as such an electrode
RU2246376C2 (en) Nitrated valve metals and methods for producing such metals
FR2611368A1 (en) METHOD OF DESOXYDING A MATERIAL OF TANTALE
JPH0394032A (en) Micro and nanoporous metal structure
JP4513520B2 (en) Titanium alloy sponge sintered body with excellent compressive strength
US3359099A (en) Method of producing a porous electrode material
RU2793680C1 (en) Method for obtaining material for absorption and desorption of hydrogen
JP2004510889A (en) Chromium purification method
Zhang et al. Bulk monolithic electrodes enabled by surface mechanical attrition treatment-facilitated dealloying
JPS60185362A (en) Manufacture of hydrogen storage electrode
KR100195076B1 (en) Method manufactring anode for mcfc
EP2939761B1 (en) Production method for a niobium granulated product, production method for a sintered body, production method for a chemical conversion body for nobium capacitor positive electrode and production method for a capacitor
US20020114725A1 (en) Palladium-boron alloys and methods for making and using such alloys
Jung et al. The activation mechanism of Zr-based alloy electrodes
RU2414331C2 (en) Method of producing powder of nonstoichiometric titanium hydride with preset hydrogen content
RU2623566C1 (en) Method of manufacture of sintered porous products from tungsten-based pseudoalloy
US7381368B2 (en) Palladium-boron alloys and methods for making and using such alloys
CN114086111A (en) High-temperature-resistant iridium oxide and hafnium oxide composite material and preparation method thereof
RU2535104C1 (en) METHOD OF SYNTHESIS OF NdNi5 INTERMETALLIC COMPOUND POWDER IN MOLTEN SALTS
JP2013199686A (en) Method of manufacturing metallic porous body
RU2525882C2 (en) Copper-based nanostructured electric contact composite and method of its production
CN112974812A (en) High-combustion low-sensitivity rare earth alloy hydride material and preparation method thereof
RU2358837C2 (en) Method of producing composite material with 3d-nanostructure
RU2447177C1 (en) Method of producing modifying agent for nickel alloys
US3458358A (en) Fuel cell electrode