Зберігання водню у металах

Звичайні способи зберігання (у балонах) стисненого або зрідженого водню досить небезпечне заняття. Крім того, водень дуже активно проникає через більшість металів та сплавів, що робить запірну та транспортну арматуру дуже дорогою.

Властивість водню розчинятися в металах відоме з 19 століття, але тільки зараз стали видно перспективи застосування гідридів металів та інтерметалевих сполук як компактні сховища водню.

Типи гідридів

Гідриди поділяються на три типи (деякі гідриди можуть мати декілька властивостей зв'язків, наприклад бути метал-ковалентним): металеві, іонні та ковалентні.

Іонні гідриди -як правило, створюються при високих тисках (

100 атм.) та при температурах більше 100°С. Типові представники – гідриди лужних металів. Цікавою особливістю іонних гідридів є більший ступінь густини атомів ніж у вихідній речовині.

Ковалентні гідриди— практично не знаходять застосування через малу стабільність і високу токсичність використовуваних металів та інтерметалідів. Типовий представник - гідрид берилію, одержуваний методом мокрої хімії реакцією диметилберилію з літійалюмогідридом в розчині діетилового ефіру.

Металеві гідриди- можна розглядати як сплави металевого водню, ці сполуки відрізняються високою електропровідністю як і материнські метали. Металогідриди утворюють майже всі перехідні метали. Залежно від типів зв'язків металеві гідриди можуть бути як ковалентними (наприклад гідрид магнію), так і іонними. Майже всі металогідриди вимагають високих температур для дегідрування (реакції віддачі водню).

Типові гідриди металів

Гідрид свинцю - PbH4 - бінарне неорганічнехімічна сполука свинцю з воднем. Дуже активний, у присутності кисню (на повітрі) самозаймається.

Гідроксид цинку – Zn(OH)2 – амфотерний гідроксид. Широко поширений як реагент у багатьох хімічних виробництвах.

Гідрид паладію — метал, в якому водень знаходиться між атомами паладію.
Гідрид нікелю – NiH – часто застосовується з добавками лантану LaNi5 для електродів акумуляторів.

Металогідриди можуть утворювати такі метали: Ni, Fe, Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Rh, Pd-Pt, Pd-Rh, Mo-Fe, Ag-Cu, Au-Cu, Cu-Ni, Cu -Pt, Cu-Sn.

Метали-рекордсмени за обсягом водню, що запасається.

Найкращим металом для зберігання водню є паладій (Pd). В одному обсязі паладію може бути «упаковано» майже 850 об'ємів водню. Але перспективність подібного сховища викликає сильні сумніви через дорожнечу цього металу платинової групи. Навпаки, деякі метали (наприклад мідь Cu) розчиняють всього 0.6 об'єму водню на один об'єм міді.

Гідрид магнію (MgH2) може запасати до 7.6% масових часток водню в кристалічній решітці. Незважаючи на привабливі значення і мала питома вага подібних систем, очевидною перешкодою є високі температури прямої та зворотної реакції заряд-розряд і високі ендотермічні втрати при дегідруванні сполуки (близько третини енергії запасеного водню). Кристалічна структура β-фази гідриду MgH2 (рисунок)

Накопичення водню в металах

Реакція поглинання водню металами та інтерметалідами відбувається при більшому тиску, ніж його виділення. Це визначається залишковими пластичними деформаціями кристалічних ґрат при переході від насиченого α-розчину (початкової речовини) до β-гідриду (речовини із запасеним)воднем).

Метали, що не розчиняють водень

Деякі з них знаходять застосування в якості запірної арматури для зберігання стиснутого та зрідженого водню.

Низькотемпературні металеві гідриди – одні з найперспективніших гідридів. Мають малі значення втрат при дегідруванні, високі швидкості циклів заряд-розряд, практично повністю безпечні і малотоксичні. Обмеженням є порівняно мала питома густина зберігання водню. Теоретичним максимумом є зберігання 3%, а насправді 1–2% масових частки водню.

Застосування порошкоподібних металогідридів накладає обмеження на швидкість циклів заряд-розряд через низьку теплопровідність порошків і вимагають особливого підходу до конструювання ємностей для їх зберігання. Типовим є введення в ємність для зберігання областей, що сприяють перенесенню тепла та виготовленню тонких та плоских балонів. Певного збільшення швидкості циклів розряду-заряду можна досягти введенням в металогідрид інертного сполучного, що має велику теплопровідність і високий порог інертності до водню і базової речовини.

Інтерметалеві гідриди

Крім металів, перспективним є зберігання водню в так званих «інтерметалевих сполуках». Подібні сховища водню знайшли широке застосування у побутових металгідридних акумуляторах. Перевага подібних систем полягає у досить невисокій вартості реагентів та малій шкоді навколишньому середовищу. На даний момент металгідридні акумулятори практично повсюдно витіснені літієвими системами акумулювання енергії. Максимальна енергія промислових зразків в нікель-метал-гідридних акумуляторах (Ni-MH) дорівнює 75Вт·ч/кг.

Важливою властивістю деяких інтерметалідів є висока стійкість до домішок, що містяться у водні. Ця властивість дозволяє експлуатувати подібні сполуки у забруднених середовищах та у присутності вологи. Багаторазові цикли "заряд-розряд" за наявності забруднень і води у водні не отруюють робочу речовину, але зменшують ємність наступних циклів. Зменшення корисної ємності відбувається через забруднення оксидами металів базової речовини.

Поділ інтерметалевих гідридів

Інтерметалеві гідриди поділяються на високотемпературні (дегідруючі при кімнатній температурі) та високотемпературні (понад 100°С). Тиск, у якому відбувається розкладання гідридної фази) зазвичай більше 1 атм. У реальній практиці застосовуються складні інтерметалічні гідриди, що складаються з трьох і більше елементів.

Типові інтерметалеві гідриди

Гідрид лантану нікелю - LaNi5 - гідрид, в якому одна одиниця LaNi5 містить більше 6 атомів Н. Десорбція водню з нікелю лантану можлива при кімнатних температурах. Однак, елементи, що входять до цього інтерметаліду, також дуже недешеві. В одиниці об'єму лантану-нікелю міститься у півтора рази більше водню, ніж у рідкому Н2.

Особливості систем інтерметал-водень:

Області практичного застосування інтерметалевих гідридів:

стаціонарні сховища водню;
мобільність сховища та перевезення водню;
компресори;
відділення (очищення) водню;
теплові насоси та кондиціонери.

Приклади застосування систем метал-водень:

тонке очищення водню, всілякі водневі фільтри;
реагенти для порошкової металургії;
сповільнювачі та відбивачі всистемах ядерного поділу (ядерних реакторах);
поділ ізотопів;
термоядерні реактори;
установки дисоціації води (електролізери, вихрові камери одержання газоподібного водню);
електроди для акумуляторів на основі вольфрам-водневих систем;
металгідридні акумулятори;
кондиціонери (теплові насоси);
перетворювачі для електростанцій (ядерні реактори, ТЕЦ);
транспортування водню.