Изучение процессов термостимулированного и неравновесного выхода изотопов водорода из Pd, Ni, Pt, Zr, Ti
В данной работе проведены исследования выхода водорода в вакуум из предварительно насыщенных водородом металлических образцов (Pd, Ni, Pt, Zr, Ti) при термическом линейном и радиационном нагреве. Экспериментально исследован выхода водорода при термическом и радиационном нагреве из плоских образцов различной толщины переходных металлов (Pd, Ni, Pt, Zr, Ti), предварительно насыщенных водородом методом Сиверста и электрохимическим методом. Рассмотрены модели десорбции водорода, и с использованием указанных моделей создана программа для моделирования десорбции водорода из металлов с учетом различных лимитирующих стадий: диффузионной, поверхностной рекомбинации и десорбционной с помощью метода конечных элементов в системе “Матлаб”, и получены численные решения.
РЕФЕРАТ ……………………………………………………………………………………………………. 10
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 13
Глава 1. Взаимодействие водорода с металлами (Ti, Zr, Pd, Ni, Pt) ………………. 15
1. 1 Водород в металлах ……………………………………………………………………………. 15
1. 1.1 Взаимодействие водорода с титаном ……………………………………………… 17
1. 1.2 Взаимодействие водорода с никелем……………………………………………… 19
1. 1.3 Взаимодействие водорода с цирконием …………………………………………. 20
1. 1.4 Взаимодействие водорода с палладием и платиной ……………………….. 22
1. 2 Диффузия водорода в металлах …………………………………………………………… 25
1.3 Методы стимулированного выхода водорода из металлов ……………………. 26
1.3.1 Термостимулированное газовыделение ………………………………………….. 26
1.3.2 Радиационно-стимулированное газовыделение ………………………………. 28
Глава 2. Экспериментальное исследование выхода водорода из Ti,Zr,Ni,Pd,Pt 29
2.1 Методы насыщения водородом ……………………………………………………………. 29
2.1.1 Электролитическое насыщение водородом …………………………………….. 30
2.1.2 Насыщение водородом из газовой фазы (метод Сивертса) ………………. 31
2.2 Установка для исследования термостимулированного и радиационно-
стимулированного выхода водорода из металлов ………………………………………. 32
2.3 Экспериментальные результаты…………………………………………………………… 35
2.3.1 Экспериментальные результаты термостимулированного
газовыделения водорода ………………………………………………………………………… 36
2.3.2 Экспериментальные результаты радиационно-стимулированного
газовыделения водорода ………………………………………………………………………… 39
Глава 3. Моделирование выхода водорода из металлов ………………………………… 43
3.1 Модель для описания термостимулированного газовыделения водорода 43
3.2 Выход водорода из гидридо-образующих материаловTi, Zr………………….. 57
3.3 Модель для описания радиационно-стимулированного газовыделения
водорода из металлов………………………………………………………………………………… 62
3.4 Модель полубесконечного образца ………………………………………………………. 66
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………………. 69
4.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………….. 70
4.3 SWOT-анализ………………………………………………………………………………………. 72
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации…………………………………. 74
4.5 Вычисление бюджета ………………………………………………………………………….. 77
4.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ………………………. 85
Глава 5. Социальная ответственность …………………………………………………………… 89
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 89
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности. ……… 89
5.2 Производственная безопасность. …………………………………………………………. 91
5.3 Экологическая безопасность………………………………………………………………. 100
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. ………………………………………….. 101
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 103
Список литературы ……………………………………………………………………………………. 105
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 114
Глава 6. Обзор на иностранном языке ………………………………………………………… 115
Introduction ………………………………………………………………………………………………… 115
6.1 The interaction of hydrogen with metal ………………………………………………….. 116
6.2 Diffusion of hydrogen in metals ……………………………………………………………. 117
6.3 Experimental part ………………………………………………………………………………… 118
6.5 Modeling the release of hydrogen from metals ……………………………………….. 120
6.5.1 Model for describing thermally stimulated hydrogen gas evolution ……… 120
6.5.2 Semi-infinite sample ………………………………………………………………………. 126
Conclusion ………………………………………………………………………………………………….. 128
Приложение В……………………………………………………………………………………………. 130
Поведение водорода в металлах становится все более многоплановой
междисциплинарной проблемой на стыке физики и химии твердого тела [1, 2].
Взаимодействие между водородом и металлом имеет как положительные,
так и отрицательные стороны: с одной стороны, поскольку водород очень активен
и легко вступает в реакцию с металлами, происходит водородное охрупчивание,
которое приводит к разрушению материала и рассматривается как вредный
элемент [3, 4]; с другой стороны, водород чрезвычайно важен. Потребляемая
ценность водорода, такая как применение технологии термической обработки
водородом, может значительно улучшить рабочие характеристики
металлических материалов [2]. Металл является эффективным материалом для
хранения водорода, что имеет очень высокую ценность для развития широкого
применения в водородной энергетике [2, 5, 6,].
Исследования водородного охрупчивания металлов продолжаются в
течение десятков лет, но конкретный механизм водородного охрупчивания еще
не определен однозначно, что ограничивает решение проблемы водородного
охрупчивания, и до сих пор остается горячей точкой исследований для ученых.
Обоснованное использование и контроль содержания и форм метало-гидридов
могут улучшить пластичность металла или использование металлов в качестве
материала для хранения водорода. Технология обработки водородом, использует
обратимый эффект водородного легирования в сплаве для контроля
микроструктуры сплава и улучшения конечных механических свойств.
Исследование и разработка высокоэффективных материалов для хранения
водорода является ключом к практическому использованию водорода в качестве
энергоносителя. В настоящее время широко изучаются материалами для
хранения водорода. Скорость абсорбции, ёмкость хранения, температура и
скорость выхода из металлогидридов определяется деталями процессов
образования связи металл-водород [2, 3, 4].
Для того чтобы оптимизировать характеристики хранения водорода в
материалах и разработать новые материалы для хранения водорода, необходимо
уточнить механизм хранения водорода в материалах. Переходные металлы
широко используются в исследованиях различных каталитических реакций
водорода. Для реализации процесса каталитического получения водорода
необходимо исследовать детали кинетического процесса взаимодействия
водорода с поверхностью металла [6, 7].
Как правило, требуется найти распределение водорода в металле, входной
и выходной потоки газа с учетом адсорбционно-десорбционных процессов на
поверхности, предложить методы определения параметров диффузионных и
адсорбционно-десорбционных процессов по экспериментальным данным,
исходя из условий насыщения материалов водородом, скорости и режимов
нагрева образцов, включая, например, радиационный нагрев, форму и размер
образцов [8].
В данной работе остановимся на моделировании метода
термостимулированного и радиационно-стимулированного газовыделения
водорода в вакуум из предварительно насыщенных водородом плоских
металлических образцов для определения параметров взаимодействия водорода
с гидридо-образующими Ti, Zr и формирующими твердые растворы Ni, Pd, Pt
переходными металлами.
Положения, выносимые на защиту:
1. С увлечением толщины образцы при термическом нагреве пик
десорбции водорода из металлов двигается в высокотемпературную область, а
ширина пика растет. Это указывает на лимитирующую роль диффузии в
процессах выхода водорода из металлов. По сравнению с термогазовыделением,
при радиационном нагреве пик десорбции водорода значительно сдвигается в
низкотемпературную область, облучение ускоряет выхода водорода.
2. При моделировании ТСГВ для Ti, Zr, Pt наряду с диффузией, следует
учитывать реакции рекомбинации атомов водорода на поверхности с
использованием граничного условия: ∓ | = 0 exp (− ) (0, ). А для
=±
15
Ni и Pd наряду с диффузией и рекомбинацией атомов водорода на поверхности
и десорбции молекул водорода с поверхности в граничном условии
лимитирующим оказывается процесс выхода водорода из объема на
поверхность: ± | = − диф (± , ) 1 . Получены соотношения между
=± 2
энергией активации, предэкспоненциальными множителями диффузии,
рекомбинации и десорбции, толщиной образца, скоростью нагрева и положением
пика газовыделения водорода.
Цель работы:
– Экспериментальное изучение и моделирование процессов
диффузионного выхода водорода в вакуум из предварительно насыщенных
водородом металлических образцов при термическом и радиационном нагреве.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие
задачи:
1. Подготовить обзор по теме исследования и сформулировать задачу
исследования;
2. Провести экспериментальное исследование термостимулированного и
радиационно-стимулированного газовыделения водорода из металлов;
3. Выполнить численное и аналитическое моделирование процессов
ТСГВ и РСГВ и найти аналитические аппроксимации выхода водорода из
металлов при термическом и радиационном нагреве;
4. Сопоставить результаты аналитического и численного моделирования
с экспериментальными данными.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.5 (80 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
4.8 (13 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
4.8 (211 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
5 (285 отзывов)
