ТПУ ведет разработку ториевых реакторов для энергии, водорода и опреснения

Физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ представили новый метод создания материалов для водородной энергетики. Подход основан на управлении дефектной структурой и иерархическим строением вещества. Он позволяет отказаться от традиционного подбора составов и добавок и перейти к проектированию материалов с заранее заданными свойствами хранения и транспортировки водорода.

Одной из ключевых проблем водородной энергетики остается отсутствие четких физических закономерностей, связывающих структуру материалов с их функциональными характеристиками. Несмотря на длительные исследования, разработка металлогидридных систем в основном опиралась на эмпирический подбор компонентов и последующую экспериментальную настройку. При этом влияние дефектной подсистемы на поведение водорода изучалось фрагментарно.

Для решения этой задачи специалисты Томского политеха создали подход на основе in situ позитронной аннигиляционной спектрометрии. Метод позволяет наблюдать эволюцию дефектной структуры материала прямо в процессе поглощения и выделения водорода. Разработанный комплекс дает возможность проводить эксперименты при давлениях до 5 МПа и температурах до 900 °C, приближая условия к реальной эксплуатации. Результаты опубликованы в журнале Bulletin of Materials Science (Q3, IF: 2.1).

По словам профессора отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Романа Лаптева, большинство существующих методов фиксируют состояние материала до и после взаимодействия с водородом, не отражая динамику процессов. Новый подход позволяет отслеживать изменения дефектной структуры в реальном времени и связывать их с кинетикой накопления и выделения водорода. Это переводит данные от статических наблюдений к описанию функционирующего материала.

В качестве модельных систем исследователи использовали композиты на основе гидрида магния с различными добавками, ранее созданными в ТПУ. Такие материалы рассматриваются как перспективные решения для твердофазного хранения водорода благодаря высокой емкости и безопасности применения.

Полученные результаты показали, что кинетика процессов хранения водорода определяется не только химическим составом, но и пространственно-временной организацией дефектов, интерфейсов и структурных неоднородностей на разных масштабных уровнях. Установлены механизмы влияния углеродных наноструктур, металлоорганических каркасов, наноразмерных металлических добавок и интерметаллидных фаз. Эти элементы формируют каналы ускоренного транспорта водорода и задают энергетические условия его миграции.

Добавление наноразмерного никеля, в частности, оказывает не только каталитическое действие. Оно способствует формированию устойчивых дефектных конфигураций и интерметаллидных фаз, которые существенно изменяют кинетику переноса водорода и снижают энергетические барьеры его поглощения и выделения.

Как отмечает доцент отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Виктор Кудияров, на протяжении многих лет в области материалов для хранения водорода накоплен большой объем экспериментальных данных, однако единой модели механизмов действия добавок не существовало. В работе удалось установить эти механизмы и показать, что именно дефектная архитектура определяет кинетику сорбции и десорбции. Это дает возможность перейти от подбора компонентов к целенаправленному проектированию функциональных свойств материалов.

Исследование формирует новый принцип материаловедения водородной энергетики. Функциональные характеристики определяются не составом и не набором добавок, а управляемым развитием дефектной архитектуры в рабочих условиях. Это открывает путь к предсказательному проектированию систем хранения и транспортировки водорода.