Кинетика абсорбции водорода металлами вблизи границы насыщения

Abstract

С феноменологических позиций исследован вопрос влияния притягивающего водород-водородного взаимодействия на кинетику поглощения водорода металлами при сохраняющейся однородности формирующегося раствора внедрения. Предсказан ряд возможных эффектов вследствие этого взаимодействия вблизи линии насыщения со стороны однофазной области. Численное решение полученного диффузионного уравнения указывает на возможность поэтапной абсорбции водорода. Приведены экспериментальные данные, косвенно подтверждающие теоретические выводы.

З феноменологічних позицій досліджено питання впливу притягальної водень-водневої взаємодії на кінетику поглинання водню металами за збереження однорідності утворюваного розчину проникнення. Передбачено низку можливих ефектів внаслідок зазначеної взаємодії поблизу лінії насичення з боку однофазної області. Чисельне рішення отриманого дифузійного рівняння вказує на можливість поетапної абсорбції водню. Наведено експериментальні дані, що побічно під- тверджують отримані теоретичні висновки.

Solid state hydrogen storage is currently the main alternative to the expensive and hazardous liquefaction technologies. Palladium-based alloys have long been known to absorb prodigious amounts of hydrogen and to possess the necessary catalytic properties. While there is an exhaustive and repeatable data on thermodynamic properties of various metal hydrides, certain aspects of absorption kinetics remain unclear. The way the attractive H–H interaction and the presence of a two-phase region in the hydride phase diagram affect various kinetic scenarios of hydrogenation has not yet been fully investigated. Mathematical description of hydrogenation accompanied by the first-order phase transition involves insurmountable fundamental difficulties connected with the non-monotonic decrease of thermodynamic potential and hence with inability to write down the governing differential equation for concentration. On the contrary kinetic paths which lie within the single phase region allow application of the standard mathematical tools of the theory of diffusion. In the present work we adopt phenomenological approach to address the effect of attractive hydrogen-hydrogen interaction on hydrogen absorption kinetics in metals under preserved homogeneity of the interstitial solid solution thus formed. A number of peculiar near-solvus kinetic effects are predicted. Numerical solution of the obtained diffusion equation is indicative of a possible multi-stage course of absorption. Hydrogenation rate is shown to slow down in the vicinity of the two-phase region boundary. Predictions of the model are corroborated by the experimental literature data.