Насыщение фуллерита С₆₀ водородом: исследование адсорбционного кроссовера

Abstract

Рентгеновским и фотолюминесцентным методами исследовано влияние сорбции водорода под давлением 30 атм в температурном интервале 150–380 °С на структурные и термодинамические свойства фуллерита С₆₀. Изучена кинетика сорбции водорода при разных температурах, построены временные зависимости решеточного параметра фуллерита. Установлено изменение механизма сорбции при повышении температуры насыщения. Диффузионное заполнение решеточных пустот молекулами водорода при температурах, равных и ниже 250 °С, в области более высоких температур сменяется химическим взаимодействием водорода с молекулами фуллерена, приводящим к образованию нового молекулярного вещества: гидрофуллерита С₆₀Нх. Установлено, что переход от физсорбции к хемосорбции водорода фуллеритом (адсорбционный кроссовер) происходит в области температур 300 °С > Т > 250 °С. Показано, что при гидрогенизации молекул С₆₀ резко возрастает объем кубической ячейки, уменьшается тепловое расширение кристаллов, подавляются ориентационный переход и процесс формирования стекольного состояния. Определены предельные деформации ГЦК решетки, а также времена заполнения решеточных пустот и гидрогенизации в случаях диффузионной и химической сорбции водорода соответственно

Рентгенівським та фотолюмінісцентним методами досліджено вплив сорбції водню під тиском 30 атм в температурному інтервалі 150–380 °С на структурні та термодинамічні властивості фулериту С₆₀. Вивчено кінетику сорбції водню при різних температурах, відбудовані часові залежності граткового параметра фулериту. Встановлено зміну механізму сорбції із підвищенням температури насичення. Дифузійне заповнення пустот гратки молекулами водню при температурах, які рівні та нижче 250 °С, в області більш високих температур змінюється на хімічну взаємодію водню з молекулами фулерену, яка призводить до створення нової молекулярної речовини: гідрофулериту С₆₀Нх. Встановлено, що перехід від фізсорбції до хемосорбції водню фулеритом (адсорбційний кросовер) відбувається в області температур 300 °С > Т > 250 °С. Показано, що при гідрогенізації молекул С₆₀ різко зростає об’єм кубічної гратки, зменшується теплове розширення кристалів, зменшуються орієнтаційний перехід та процес формування стану скла. Визначено крайні значення деформації ГЦК гратки, а також час заповнення пустот гратки і гідрогенізації у випадках дифузійної та хімічної сорбції водню відповідно.

The influence of hydrogen sorption by fullerite C₆₀ on its structural and thermodynamic properties was studied using the powder x-ray diffraction and photoluminescence methods under gas pressure of 30 atm and saturation temperature range 150–380 °С. The kinetics of hydrogen sorption at different temperatures was studied by monitoring the time dependences of fullerite lattice parametes. The sorption mechanism was found to be changed with increasing temperature. The diffusion mechanism of lattice void filling with hydrogen molecules in the low-temperature region is changed to a chemical interaction between hydrogen with fullerene molecules at higer temperatures, resulting in the formation of a new molecular material hydrofullerene С₆₀Нх. It is established that the transition from physical to chemical absorption of hydrogen by fullerite (adsorption crossover) occurs in the temperature range 300 °С > Т > 250 °С. It is shown that the hydrogenation of C60 dramatically increases the volume of the C₆₀ cubic cell, decreases the thermal expansion of the crystals, and suppresses the orientational transition and the formation of a glass state in such samples. The maximum deformation levels of the fcc lattice, and the characteristic times of diffusion voids filling as well as time of hydrogenation were determined.