ВЛИЯНИЕ ТИТАНА НА ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ LaNi₅

Водород является перспективным источником энергии, в связи с чем требуется разработка надежных и эффективных методов его хранения. Наиболее перспективным является технология хранения водорода в интерметаллидных соединениях. Этот метод является одним из самых безопасных и позволяет хранить водород с большей объемной плотностью. В настоящей работе изучено влияние легирования титаном на фазовый и структурный состав сплавов на основе LaNi₅, синтезированных методами механосинтеза и искроплазменного спекания. С помощью рентгенофазового анализа установлено, что основной матричной фазой является LaNi₅, а также формируется интерметаллид TiNi. В ряде образцов обнаружены оксидные фазы La₂O₃ и TiO₂, возникшие вследствие локального окисления. Оптимальные характеристики по кристалличности и фазовой однородности выявлены у образца LNT-1, что подтверждает высокую эффективность выбранных условий обработки. Оптимальными условиями получения интерметаллидного соединения на основе LaNi₅, легированного титаном, являются: соотношение масса шаров к массе порошка (BPR) 20:1 при длительности 8 часов со скоростью вращения 350 об/мин и ИПС при давлении 2 МПа, температуре 1300 ℃ и времени выдержки 5 минут. Полученные результаты позволяют рекомендовать этот подход для создания материалов с улучшенными характеристиками для твердотельного хранения водорода.

1. Hu T. et al. A mini review for hydrogen production routes toward carbon neutrality // Propulsion and Energy. – 2025. – Vol. 1. – No. 1. – P. 1–20. https://doi.org/10.1007/s44270-024-00004-4

2. Opakhai S., Kuterbekov K., Zhumadilova Z. Hydrogen energy in Kazakhstan: prospects for development and potential // Polityka Energetyczna. – 2024. – Т. 27. – No. 2. – P. 141–194. https://doi.org/10.33223/epj/188475

3. Blay-Roger R. et al. Natural hydrogen in the energy transition: Fundamentals, promise, and enigmas // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2024. – Vol. 189. – P. 113888. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113888

4. Sakintuna B., Lamari-Darkrim F., Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: a review // International journal of hydrogen energy. – 2007. – Vol. 32. – No. 9. – P. 1121–1140. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.11.022

5. Moradi R., Groth K. M. Hydrogen storage and delivery: Review of the state of the art technologies and risk and reliability analysis // International journal of hydrogen energy. – 2019. – Vol. 44. – No. 23. – P. 12254–12269. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.041

6. Skakov M. et al. Effect of a High-Temperature Treatment on Structural-Phase State and Mechanical Properties of IMC of the Ti-25Al-25Nb at.% System // Materials. – 2022. – Т. 15. – No. 16. – P. 5560. https://doi.org/10.3390/ma15165560

7. Liang G., Huot J., Schulz R. Hydrogen storage properties of the mechanically alloyed LaNi5-based materials // Journal of alloys and compounds. – 2001. – Vol. 320. – No. 1. – P. 133–139. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)00929-X

8. Salma Sleiman, Samaneh Shahgaldi, Jacques Huot. Investigation of the First Hydrogenation of LaNi5 // Reactions. – 2024. – Vol. 5. – Iss. 3. – P. 419–428. https://doi.org/10.3390/reactions5030021

9. Aaron Keith, Claudia Zlotea, Petra Agota Szilagyi. Perspective of interstitial hydrides of high-entropy alloys for vehicular hydrogen storage // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 52. – P. 531–546. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.01.141

10. Zacharia R., Rather S. U. Review of solid state hydrogen storage methods adopting different kinds of novel materials // Journal of Nanomaterials. – 2015. – Vol. 2015. – No. 1. – P. 914845. https://doi.org/10.1155/2015/914845

11. Sleiman S., Huot J. Microstructure and Hydrogen Storage Properties of Ti1V0. 9Cr1. 1 Alloy with Addition of x wt% Zr (x= 0, 2, 4, 8, and 12) // Inorganics. – 2017. – Vol. 5. – No. 4. – P. 86. https://doi.org/10.3390/inorganics5040086

12. Frankcombe T. J. Proposed mechanisms for the catalytic activity of Ti in NaAlH4 //Chemical reviews. – 2012. – Vol. 112. – No. 4. – P. 2164–2178. https://doi.org/10.1021/cr2001838

13. Sandrock G. A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction point of view // Journal of alloys and compounds. – 1999. – Т. 293. – P. 877–888. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(99)00384-9

14. Wang L. et al. Insights into the structure–performance relationship in La–Y–Ni-based hydrogen storage alloys // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Т. 48. – No. 66. – P. 25797–25807. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.329

15. Konik P. et al. Structure and hydrogenation features of mechanically activated LaNi5-type alloys // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Т. 46. – No. 25. – P. 13638–13646. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.163

16. N.M. Mukhamedova, М.К. Skakov, W. Wieleba. Determination of phase composition and mechanical properties of surface of the material obtained on the basis of silicon and carbon by spark-plasma sintering method // J. AIMS Materials Science. – 2018. – Vol. 6(1). – P. 1–9. https://doi.org/10.3934/matersci.2019.1.1

17. Tokita M. Mechanism of spark plasma sintering // Proceeding of the International Symposium on Microwave, Plasma and Thermochemical Processing of Advanced Materials. – 1997. – P. 69–76. https://doi.org/10.2497/jjspm.49.915

18. Orrù R. et al. Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2009. – Т. 63. – No. 4–6. – P. 127–287. https://doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.003

19. Kozhakhmetov Y., Skakov M., Wieleba W., Kurbanbekov Sh., Mukhamedova N. Evolution of intermetallic compounds in Ti-Al-Nb system by the action of mechano-activation and spark plasma sintering // J. AIMS Materials Science. – 2020. – Vol. 7. – No. 2. – P. 182–191. https:///doi.org/10.3934/MATERSCI.2020.2.182

20. Wang H. et al. Large scale synthesis and characterization of Ni nanoparticles by solution reduction method // Bulletin of Materials Science. – 2008. – Vol. 31. – P. 97–100. https://sci-hub.ru/10.1007/s12034-008-0017-1

21. Ali Z. et al. Catalytic growth of CNTs and carbon onions by chemical vapor deposition on nickel-silica nanocomposite and its electrochemical catalytic study towards OER // Journal of Porous Materials. – 2020. – Vol. 27. – P. 1571–1581. https://doi.org/10.1007/s10934-020-00934-9

22. Zhao Y., Zhang J. Microstrain and grain-size analysis from diffraction peak width and graphical derivation of high-pressure thermomechanics // Applied Crystallography. – 2008. – Vol. 41. – No. 6. – P. 1095–1108. https://doi.org/10.1107/S0021889808031762

23. Mattern N. et al. Experimental and thermodynamic assessment of the La–Ti and La–Zr systems // Calphad. – 2016. – Vol. 52. – P. 8–20. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2015.10.015

24. Jingqi L., Ke G. The isothermal section of the phase diagram of the La–Ni–Ti ternary system at 673 K // Journal of alloys and compounds. – 2000. – Vol. 312. – No. 1–2. – P. 121–123. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(00)01072-0

25. Ali A., Chiang Y. W., Santos R. M. X-ray diffraction techniques for mineral characterization: A review for engineers of the fundamentals, applications, and research directions // Minerals. – 2022. – Т. 12. – No. 2. – P. 205. https://doi.org/10.3390/min12020205

26. Lima E. F., Bredow T. Extended benchmark set for lattice parameters of inorganic solids // Journal of Computational Chemistry. – 2024. – Т. 45. – No. 32. – P. 2702–2709. https://doi.org/10.1002/jcc.27479

27. Zhong C. et al. Insights into the enhanced hydrogen adsorption on M/La2O3 (M= Ni, Co, Fe) //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2023. – Т. 25. – No. 22. – P. 15547–15554. https://doi.org/10.1039/D3CP00735A

28. He P. et al. La2O3-Modified Nickel-Cobalt Composite Coating as Cathode Materials for Hydrogen Evolution Reaction // ECS Transactions. – 2010. – Т. 28. – No. 26. – P. 3. http://doi.org/10.1149/1.3501091

29. Zhang J. et al. Remarkable synergistic catalysis of Ni-doped ultrafine TiO2 on hydrogen sorption kinetics of MgH2 // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2018. – Т. 10. – No. 30. – P. 24975–24980. https://doi.org/10.1021/acsami.8b06865

30. Uchida H. et al. Reaction kinetics of H2 absorption by lanthanum with and without surface oxide layers // Journal of the Less Common Metals. – 1991. – Т. 172. – P. 832–840. https://doi.org/10.1016/0022-5088(91)90210-U