Особенности взаимодействия водорода с никелем: расчеты из первых принципов

У, Мэняо Отделение экспериментальной физики (ОЭФ)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

В работе проведено теоретическое изучение особенностей взаимодействия водорода с никелем и вычислены профили диффузионных барьеров и температурная зависимость коэффициентов диффузии водорода в никеле. Получено что при относительных концентрациях водорода в никеле X = H/Ni < 1,0 атомам Н энергетически более выгодно занимать октаэдрические междоузлия. Установлено, что наименьшие барьеры диффузии водорода в решетке никеля наблюдаются между октаэдрическими и тетраэдрическими междоузлиями: при переходе из тетра- в октаэдрическое междоузлие барьер составляет 0,22 эВ, а в обратном направлении – 0,60 эВ.

Введение………………………………………………………………………………………………………..13
Глава Ι Водород в никеле……………………………………………………………………………..17
1.1 Растворение водорода в металлах и растворимость водорода в никеле….. 17
1.2 Фазовая диаграмма системы Ni-H…………………………………………………………. 19
1.3 Атомная и электронная структуры системы Ni-H………………………………….. 20
1.4 Энергия связи водорода в никеле……………………………………………………………24
1.5 Диффузия водорода в металлах………………………………………………………………26
Глава ΙΙ Основные методы и приближения в расчетах из первых принципов. 32
2.1 Основные приближения………………………………………………………………………… 32
2.1.1 Адиабатическое приближение…………………………………………………………. 33
2.1.2 Одноэлектронное приближение………………………………………………………..34
2.1.3 Зонное приближение……………………………………………………………………….. 36
2.1.4 Приближение локальной плотности………………………………………………….37
2.1.5 Приближение обобщенного градиента…………………………………………….. 38
2.2 Метод псевдопотенциала………………………………………………………………………. 39
2.3 Метод проекционных присоединенных волн………………………………………….42
2.4 Уравнение Кона–Шема…………………………………………………………………………..43
Глава ΙΙΙ Детали и результаты расчета………………………………………………………….46
3.1 Схема и детали расчета…………………………………………………………………………. 46
3.2 Результаты и обсуждение……………………………………………………………………….49
3.2.1 Магнитный момент и параметры решетки……………………………………….. 49
3.2.2 Энергия связи водорода в никеле………………………………………………………52
3.2.3 Избыточный объем………………………………………………………………………….. 54
3.2.4 Диффузии водорода в никеле…………………………………………………………… 55
Глава IV Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение……………………………………………………………………………………….. 60
4.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения………………………………………………60
4.2 SWOT-анализ…………………………………………………………………………………………62
4.3 План проекта………………………………………………………………………………………… 64
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ)……………………………….. 65
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ……………………………………………………..67
4.4.2 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы……68
4.4.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления)………… 70
4.4.4 Накладные расходы…………………………………………………………………………. 71
4.4.5 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта… 72
Выводы……………………………………………………………………………………………………….72
Глава V Социальная ответственность…………………………………………………………..73
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности……….. 73
5.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства………………73
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя………………………………………………………………………………………….. 75
5.2 Производственная безопасность……………………………………………………………. 76
5.2.1 Анализ вредных факторов, которые могут возникнуть на рабочем месте
при проведении исследований…………………………………………………………………. 77
5.2.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов…………………………………………………………………… 83
5.3 Экологическая безопасность…………………………………………………………………. 84
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях……………………………………………….85
Вывод………………………………………………………………………………………………………….86
Заключение…………………………………………………………………………………………………… 88
Список используемых источников………………………………………………………………….90
Приложение А………………………………………………………………………………………………. 96

Никель широко используют в кораблестроении, в электротехнике, при
изготовлении различной химической аппаратуры и никель-металлогибридных
аккумуляторов и для многих других целей. Он также используется для
хранения водорода в водородной энергетике. В своем неизменном виде этот
материал находит применение в качестве защитного покрытия, защищающего
от коррозии. Такие защитные покрытия на железе и других металлах можно
получить с помощью двух способов: гальванопластикой или плакировкой.
Повышенной коррозионной стойкостью обладают сплавы из никеля. Особенно
соединения этого металла с железом, молибденом, хромом и медью.
Катализаторы, содержащие никель, находят широкое применение, в частности
в таких реакциях как гидрирование, алкилирование, гидроалкилирование, в
процессах крекинга и др.
Водород является наиболее распространенным элементом во вселенной.
Взаимодействие водорода с переходными металлами – это одно из основных
научных направлений исследований материалов. Научный интерес, в частности,
представляет взаимодействие водорода с никелем. Интенсивное насыщение
никеля водородом приводит к его охрупчиванию: так при испытаниях на
растяжение относительное удлинение чистого никеля при 20°С не зависит от
скорости деформации, тогда как удлинение никеля, насыщенного водородом,
уменьшается с ее понижением. Отметим, что относительно высокая стойкость
электролитического никеля обусловлена его высокой пассивностью, в то время
как никель металлургический более активен. Это различие обусловлено
содержанием в никеле водорода.
Изучение взаимодействия водорода с металлом началось с изучения
системы металл-водород известным физиком Томасом Грэмом в 1866 году. С
тех пор система металл-водород постепенно становится горячей темой,
которую изучают люди во всем мире. Сжигание водорода не приводит к
загрязнению окружающей среды пылью, окисью углерода, углекислым газом,
свинцовыми соединениями и другими загрязнителями, будущее – лучшая
чистая энергия. С 1964 года, когда Рейли и др. из Брукхейвенской
национальной лаборатории в США изобрели самый первый водородный
накопитель Mg2Ni в истории, водородная энергетическая система до сих пор
остается одной из популярных областей науки и техники. В настоящее время
существует множество научных конференций по исследованию металл-
водородных систем. В настоящий момент интерес представляют исследования:
расположения атомов водорода в металле и форма его движения,
термодинамика химических реакций водорода и металлов, диффузия водорода
в металле, новые гидриды и гидротропы, материалы для хранения водорода
и т.д.
Металлический гидрид является простейшей молекулой, которая
является ключевой и модельной молекулой для понимания особенностей
взаимодействия металла и водорода в гидридах переходных металлов с 3d- и
4d-состояниями. В 1986 г. D.P. Chong et al. спрогнозировал свойства основного
состояния всех трехмерных переходных металлических гидридов. После 1987
года В.А. Соменков и другие описал кристаллическую структуру и объемный
эффект гидридов переходных d-металлов, таких как марганец, железо, родий и
т.д. Все атомы водорода в гидриде этих переходных металлов занимают
октаэдрические участки [2]. Понятовский и др. из Института физики твердого
тела Российской академии наук (ISSP RAS) синтезировали 3d и 4d гидриды
переходных металлов при давлении водорода 9 ГПа при 500 °C [3] и 1000 °C [4].
Они обнаружили, что гидриды всех переходных металлов группы VI-VIII
необходимо синтезировать под высоким давлением, за исключением Pd,
который может образовывать гидрид при низком давлении. Система Rh-H и Pd-
H с относительной концентрацией водорода x ≈ 1 имеют ГЦК структуру [5]. В
2009 году Цуй Синь и другие [6] использовали теорию функционала плотности
для изучения механических, магнитных и электрических свойств гидридов
переходных металлов RhH и PdHx. Приведены некоторые надежные
механические параметры и интересные магнитные свойства. В последние
десятилетия проводятся интенсивные исследования механических,
электрических и магнитных свойств гидридов переходных металлов, а также
процесса адсорбции водорода на поверхность переходных металлов и
диффузионное поведение в объеме кристаллов, проблем хранения водорода в
материалах из переходных металлов и т.д.
Водород является наименьшим химическим элементом из всех
известных с высоким химическим сродством с металлическими веществами.
Водород диффундирует быстрее, чем любое другое вещество в металле, однако
механизм быстрой диффузии до сих пор до конца не ясен. Диффузия и
миграция водорода в металлах являются важным аспектом определения
поведения водорода в металлах. Атомы водорода имеют высокую подвижность
в переходных металлах. В настоящее время имеется много сообщений о
адсорбции и диффузии водорода на поверхности металлов.
В 2002 году Weststrate et al. изучали взаимодействие между водородом и
поверхностью Rh(111) с использованием фотоэмиссии рентгеновского ядерного
излучения высокого разрешения в реальном времени. Лай и другие [7]
исследовали в 2005 году адсорбционные и колебательные свойства водорода на
поверхности Rh(111) с использованием теории функционала электронной
плотности. В их работе были рассчитаны равновесные конфигурации и энергии
адсорбции для каждого высокосимметричного участка адсорбции. Также была
рассчитана диффузия водорода на поверхности Rh(111) и определена
траектория движения атома водорода в процессе диффузии.
В 2008 г. Вей и другие [8] использовали теорию функционала
электронной плотности для изучения диффузионного поведения одного атома
водорода в идеальном решетке плутония. В 2009 году Хан и другие [9] изучили
из первых принципов диффузионное поведение водорода в титане. Ими было
показано, что атомы водорода в ГПУ решетке титана перескакивают из одного
октаэдрического междоузлия в другое через тетраэдрическое междоузлие.
К настоящему времени накопилось достаточное большое количество как
экспериментально, так и теоретически полученной информации о поведении
атомов водорода в объеме металла, однако в литературе практически
отсутствует информация о поведении атомов водорода в объеме никеля.
Расчеты из первых принципов атомной и электронной структуры системы
никель-водород позволят выявить особенности взаимодействия водорода с
никелем на микроскопическом уровне. Термин «из первых принципов» (ab
initio в зарубежной литературе) означает отсутствие экспериментально
установленных подоночных параметров при проведении квантово-
механических расчетов, т.е. изначальные входные параметры определяются
исходя из общеизвестных фундаментальных законов и физических постоянных
[10]. Теория функционала электронной плотности – это наиболее успешный и
многообещающий аппарат описания электронной структуры материалов из
первых принципов.
Целью данной работы является теоретическое изучение особенностей
взаимодействия водорода с никелем и вычисление профилей диффузионных
барьеров и температурной зависимости коэффициентов диффузии водорода в
никеле. Расчеты выполняются в рамках теории функционала электронной
плотности методами псевдопотенциала и проекционных присоединенных волн,
которые реализованы в пакете программ ABINIT [1].
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Ознакомиться с известными в литературе данными о системе Ni–H.
2. Изучить метод псевдопотенциала и особенности его применения.
3. Провести оптимизацию атомной структуры и релаксацию решетки
системы Ni–H при различной концентрации водорода.
4. Рассчитать избыточный объем, вносимый атомом водорода в решетку
никеля, энергию связи Ni-H и магнитный момент системы Ni–H.
5. Выявить все возможные диффузионные скачки атома H в решетке Ni
при концентрации водорода ~ 6 ат.%. и рассчитать профили
диффузионных барьеров для них
6. Вычислить температурную зависимость коэффициентов диффузии
водорода в никеле.
7. Выявить особенности взаимодействия водорода с никелем.

В работе проведено теоретическое изучение особенностей
взаимодействия водорода с никелем и вычислены профили диффузионных
барьеров и температурная зависимость коэффициентов диффузии водорода в
никеле. К настоящему времени очень много как экспериментальных, так
теоретических работ, посвящённых изучению системы никель–водород. В
диссертации сделан краткий обзор по фазовой диаграмме и атомной структуре
системы Ni-H. Также рассмотрен вопрос об энергии связи и диффузии водорода
в никеле, изученный ранее из первых принципов.
В текущей работе спин-поляризованные расчеты атомной и электронной
структуры никеля с водородом выполнялись в рамках теории функционала
электронной плотности методами псевдопотенциала и проекционных
присоединенных волн, реализованными в пакете программ ABINIT. В работе
кратко описаны основные приближения и подходы, используемые при
исследовании электронной структуры твердых тел: адиабатическое
приближение, одноэлектронное приближение, зонное приближение,
приближение локальной плотности и приближение обобщённого градиента.
В работе было установлено, что при растворении водорода в никеле с
относительной концентрацией X = H/Ni от 0,0625 до 0,25 изменение параметров
решетки металла составляет 0,14–2,0%. При более высоких концентрациях
водорода (X ≥ 1,0) изменения параметров решетки никеля более значительны и
в случае системы NiH2 достигают 42,7%. Отметим, что в большинстве
рассмотренных случаев растворение водорода в решетке металла приводит к ее
тетрагональному искажению. Особенно ярко это проявляется в системах Ni2H,
NiH и NiH2. Также вычислен избыточный объем, вносимый атомом водорода в
решетку циркония. Показано, что практически вне зависимости от
концентрации атомы водорода в октаэдрических междоузлиях вносят в
решетку металла избыточный объем от 2,00 до 2,20 Å3, а в тетраэдрических
междоузлиях в 1,5 раз больше.
В работе также была вычислена зависимость энергии связи водорода в
никеле от относительной концентрации водорода. Получено что при
относительных концентрациях водорода в никеле X = H/Ni < 1,0 атомам Н энергетически более выгодно занимать октаэдрические междоузлия. Отметим, что система Ni4H3O с послойным упорядочиванием атомов водорода в решетке металла характеризуется самым высоким значением энергии связи водорода с никелем. Из других работ известно, что ведущий механизм надбарьерной диффузии водорода в ГЦК кристаллах заключается в последовательной миграции через октаэдрические и тетраэдрические поры. При этом в тетраэдрических междоузлиях атом водорода, как правило, не задерживается. В настоящей работе подтверждается, что наименьшие барьеры диффузии водорода находятся между октаэдрическими и тетраэдрическими междоузлиями в решетке никеля. При этом при переходе из тетра- в октаэдрическое междоузлие барьер (~ 0,22 эВ) меньше, чем в обратном направлении (~ 0,60 эВ). Наибольшие барьеры диффузии соответствуют переходам атома водорода из тетраэдрического в тетраэдрическое (~ 2,07 эВ) и из октаэдрического в октаэдрическое междоузлия (~ 1,78 эВ). Таким образом, диффузия водорода при низких концентрациях (~ 6 ат.%) в никеле будет проходить из октаэдрического междоузлия в тетраэдрическое и опять в октаэдрическое. В работе наблюдается хорошее согласие рассчитанных значений коэффициентов диффузии водорода в Ni16H с результатами других экспериментальных и теоретических работ при высоких температурах.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Шиленок В. КГМУ 2017, Лечебный , выпускник
    5 (20 отзывов)
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертац... Читать все
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертационной работ. Помогу в медицинских науках и прикладных (хим,био,эколог)
    #Кандидатские #Магистерские
    13 Выполненных работ
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Татьяна С. кандидат наук
    4.9 (298 отзывов)
    Большой опыт работы. Кандидаты химических, биологических, технических, экономических, юридических, философских наук. Участие в НИОКР, Только актуальная литература (пос... Читать все
    Большой опыт работы. Кандидаты химических, биологических, технических, экономических, юридических, философских наук. Участие в НИОКР, Только актуальная литература (поставки напрямую с издательств), доступ к библиотеке диссертаций РГБ
    #Кандидатские #Магистерские
    551 Выполненная работа

    Другие учебные работы по предмету

    Модифицирование поверхности полученного с помощью аддитивной технологии титанового сплава Ti-6Al-4V
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Изучение процессов термостимулированного и неравновесного выхода изотопов водорода из Pd, Ni, Pt, Zr, Ti
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)