Dinaminio paviršiaus barjero įtakos Mg-Ni pagrindo dangų hydrinimo savybėms tyrimas

Abstract

Tiriamasis darbas buvo atliekamas vandenilio saugojimo srityje. Magnetroniniu garinimu buvo nusodintos Mg-Ni pagrindo dangos, kurios vėliau buvo hidrinamos esant skirtingoms sąlygoms. Pagrindinis dėmesys buvo sutelktas į paviršinių efektų, kurie yra vienas iš esminių aspektų siekiant suprasti kompleksinį vandenilio sorbcijos reiškinį, tyrinėjimą. Esant net nedideliems deguonies priemaišų kiekiams susiformuoja barjerinis sluoksnis, kuris įtakoja vandenilio saugojimo savybes. Šiame darbe hidrinimo proceso metu barjeras nagrinėjamas atsižvelgiant į jo dinamiškumą ir sąlygojamas kintamas vandenilio pralaidumo savybes. Vandenilio absorbcijos ir desorbcijos savybės buvo nagrinėjamos sekančiomis technologijomis: vandenilio bei deguonies pasiskirstymo profiliai buvo matuojami naudojant joninio spindulio technologijas (NRA, ERDA, RBS), vandenilio išlaisvinimo kinetika matuota terminės desorbcijos spektrometru (TDS), dangų struktūra tirta su rentgeno spindulių difraktometru (XRD), o paviršiaus topografinė analizė atlikta naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą (SEM). Darbe parodoma, kad paviršiaus morfologijos dinamika koreliuoja su saugomo vandenilio talpiu. Vandenilio sugėrimo greitį apsprendžia vienalaikis oksido sluoksnio formavimasis ant paviršio ir hidrido fazės augimas tūryje. Siekiant įgyti gilesnį supratimą apie priemaišų įtaką, Mg-Ni dangų auginimo metu į jas buvo įvesti nedideli Ti kiekiai (mažiau nei 15 % visų atomų). Nustatyta, kad Ti įtakoja vandenilio sorbciją, tačiau termodinaminių savybių nepagerina. Gautuosius rezultatus buvo siekiama apibendrinti atliekant matematinį modeliavimą. Siūlomas modelis pagrįstas sprendimų difuzijos lygčių su laike kintančiomis paviršinėmis vandenilio koncentracijomis analize. Įsivedus, kad paviršinė vandenilio koncentracija kinta laike buvo gautas kokybinis atitikmuo su eksperimentų rezultatais. Darbo rezultatai atskleidė, jog siekiant realistiškai įvertinti daugelio vandenilio saugojimo medžiagų praktinio taikymo savybes, būtina atsižvelgti į dinaminio paviršiaus ypatybes.

The work concerns the hydrogen storage area. The Mg-Ni based films are deposited by magnetron sputter deposition technique and then hydrogenated under different conditions. The emphasis of the study is made on the surface effects, which are essential for the understanding of complex hydrogen sorption phenomena. In presence of small quantities of oxygen impurities, a barrier is formed which influences the hydrogen storage properties. In the present work, the barrier is considered as dynamic with variable hydrogen permeation properties during hydrogenation. The hydrogen absorption and desorption properties are studied employing ions beam techniques (NRA, ERDA, RBS) for the analysis of hydrogen and oxygen distribution profiles, the thermal desorption spectroscopy (TDS) for the kinetics of hydrogen release, as well as XRD structural and SEM surface topography analysis. It is shown, that there are correlations between surface morphology and hydrogen storage capacity. The simultaneous growth of the oxide layer on the surface and the hydride phase in the bulk defines hydrogen uptake rate. To get deeper knowledge about the role of additives, a limited amount of Ti (less than 15 at. %) is added in the bulk of growing Mg-Ni film. Ti modifies some sorption characteristics but thermodynamic properties are not improved. An attempt to model experimental results is made. The model is based on the solutions of diffusion equation with variable concentration of hydrogen on the surface. The qualitative agreement was obtained assuming that the hydrogen concentration on the surface changes in time. The results show that in the studies of the hydrogen storage properties of materials the surface dynamic properties have to be considered for many practical applications