Активация интерметаллического соединения TiFe аммиаком

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Интерметаллическое соединение TiFe является одним из классических примеров водород-аккумулирующих материалов. Однако его практическое использование в металлогидридных аккумуляторах водорода затруднено рядом факторов и прежде всего жесткими условиями активации сплава для его последующего гидрирования. Известно несколько способов решения этой задачи. В данной работе исследовано взаимодействие интерметаллида TiFe с аммиаком как гидрирующим агентом под давлением 7.5 атм в присутствии 1–3 мас% NH4Cl как активирующей и катализирующей добавки при температурах 200–300°C с предполагаемым образованием твердого раствора водорода состава TiFeH~0.1, который является эффективным активатором гидрирования интерметаллида TiFe. Установлено, что при использовании разработанных оптимальных условий обработки TiFe аммиаком (добавка 1–3 мас% NH4Cl, температура реакции 200°C и 8-часовая продолжительность) образуются гидридные фазы интерметаллида, которые после вакуумирования при 100–150°С с последующим насыщением водородом под давлением 30 атм при комнатной температуре превращаются в дигидрид TiFeH~2. Экспериментально показано, что предварительно активированный аммиаком и хлоридом аммония TiFe может применяться в системах хранения водорода: после проведения 10-кратного процесса зарядки–разрядки водородоемкость металлогидридного аккумулятора водорода сохраняется.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Валентин Фокин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Author for correspondence.
Email: fvn@icp.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-4364-598X

к.х.н.

Russian Federation, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., пр. Академика Н. Н. Семенова, д. 1

Павел Владимирович Фурсиков

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: fvn@icp.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-5602-2258

к.х.н.

Russian Federation, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., пр. Академика Н. Н. Семенова, д. 1

Эвелина Эрнестовна Фокина

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: fvn@icp.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-1360-6621
Russian Federation, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., пр. Академика Н. Н. Семенова, д. 1

Михаил Владимирович Лотоцкий

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; University of the Western Cape

Email: fvn@icp.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-8387-2856

к.х.н.; HySA Systems Centre of Competence, University of the Western Cape

Russian Federation, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., пр. Академика Н. Н. Семенова, д. 1; Robert Sobukwe Rd., Bellville, 7535 South Africa

Moegamat W. Davids

University of the Western Cape

Email: fvn@icp.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-5057-1499

Ph.D., HySA Systems Centre of Competence

South Africa, Robert Sobukwe Rd., Bellville, 7535

Борис Петрович Тарасов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: fvn@icp.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-1062-3063

д.х.н.

Russian Federation, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., пр. Академика Н. Н. Семенова, д. 1; 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1

References

  1. Лотоцкий М. В., Дэвидс М. В., Фокин В. Н., Фокина Э. Э., Тарасов Б. П. Водород-аккумулирующие материалы на основе сплавов титана с железом: проблемы и решения (обзор). // Теплоэнергетика. 2024. № 3. С. 85–101. https://doi.org/10.56304/S0040363624030032 [Lototskyy M. V., Davids M. W., Fokin V. N., Fokina E. E., Tarasov B. P. Hydrogen-accumulating materials based on titanium and iron alloys (review) // Thermal Engineering. 2024. V. 71. N 3. P. 264–279. https://doi.org/10.1134/S0040601524030030].
  2. Guo F., Namba K., Miyaoka H., Jain A., Ichikawa T. Hydrogen storage behavior of TiFe alloy activated by different methods // Mater. Lett. X. 2021. V. 9. ID 100061. https://doi.org/10.1016/j.mlblux.2021.100061
  3. Dematteis E. M., Berti N., Cuevas F., Latroche M., Baricco M. Substitutional effects in TiFe for hydrogen storage: A comprehensive review // Mater. Adv. 2021. V. 2. N 8. P. 2524–2560. https://doi.org/10.1039/D1MA00101A
  4. Zhang Y.-H., Li C., Yuan Z.-M., Qi Y., Guo S.-H., Zhao D.-L. Research progress of TiFe-based hydrogen storage alloys // J. Iron Steel Res. Int. 2022. V. 29. N 4. P. 537–551. https://doi.org/10.1007/s42243-022-00756-w
  5. Liu H., Zhang J., Sun P., Zhou C., Liu Y., Fang Z. Z. An overview of TiFe alloys for hydrogen storage: Structure, processes, properties, and applications // J. Energy Storage. 2023. V. 68. ID 107772. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107772
  6. Meraj Alam M., Sharma P., Huot J. Effect of addition of rare earth element La on the hydrogen storage properties of TiFe alloy synthesized by mechanical alloying // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 50. P. 261–271. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.07.049
  7. Reilly J. J., Wiswall R. H. Formation and properties of iron titanium hydride // Inorg. Chem. 1974. V. 13. N 1. P. 218–222.
  8. Zheng W., Song W., Wu T., Wang J., He Y.-L., Lu X. G. Experimental investigation and thermodynamic modelling of the ternary Ti–Fe–Mn system for hydrogen storage applications // J. Alloys Compd. 2021. V. 891. ID 161957. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161957
  9. Jung Y., Lee Y.-S., Suh J.-Y., Huh J.-Y., Cho Y. W. Tailoring the equilibrium hydrogen pressure of TiFe via vanadium substitution // J. Alloys Compd. 2021. V. 854. ID 157263. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157263
  10. Park K. B., Fadonougbo J. O., Na T.-W., Lee T. W., Kim M., Lee D. H., Kwon H. G., Park C.-S., Kim Y. D., Park H.-K. On the first hydrogenation kinetics and mechanisms of a TiFe0.85Cr0.15 alloy produced by gas atomization // Mater. Charact. 2022. V. 192. ID 112188. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112188
  11. Zhao D., Han Z., Zhai T., Yuan Z., Qi Y., Zhang Y. Advances in activation property of hydrogen storage for TiFe-based alloy // Chin. J. Rare Met. 2020. V. 44. N 4. P. 337–351. https://doi.org/10.13373/j.cnki.cjrm.XY19120004
  12. Davids M. W., Lototskyy M. Influence of oxygen introduced in TiFe-based hydride forming alloy on its morphology, structural and hydrogen sorption properties // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. N 23. P. 18155–18162. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.09.106
  13. Lee S.-M., Perng T.-P. Effects of boron and carbon on the hydrogenation properties of TiFe and Ti1.1Fe // Int. J. Hydrogen Energy. 2000. V. 25. P. 831–836. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(99)00107-X
  14. Ha T., Lee S.-I., Hong J., Lee Y.-S., Kim D.-I., Suh J.-Y., Cho Y.W., Hwang B., Lee J., Shim J.-H. Hydrogen storage behavior and microstructural feature of a TiFe–ZrCr2 alloy // J. Alloys Compd. 2021. V. 853. ID 157099. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157099
  15. Alam M. M., Sharma P., Huot J. On the hydrogen storage properties of cast TiFe mechanically milled with an intermetallic LaNi5 and rare-earth elements La and Ce // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 50. P. 727–737. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.100
  16. Фокин В. Н., Фурсиков П. В., Фокина Э. Э., Лотоцкий М. В., Тарасов Б. П. Гидрирование TiFe в присутствии интерметаллида СеСо3 как активирующей добавки // ЖПХ. 2024. Т. 97. № 5. С. 410–416. https://doi.org/10.31857/S0044461824050074
  17. Фокин В. Н., Фурсиков П. В., Фокина Э. Э., Лотоцкий М. В., Тарасов Б. П. Гидрирование интерметаллического соединения TiFe в присутствии твердого раствора водорода TiFeH~0.1 // ЖПХ. 2024. Т. 97. № 1. С. 37–44. https://doi.org/10.31857/S0044461824010055
  18. Фокин В. Н., Фокина Э. Э., Тарасов Б. П. Исследование взаимодействия титана и его сплавов с железом с водородом и аммиаком // ЖПХ. 2019. Т. 92. № 1. С. 39–48. https://doi.org/10.1134/S0044461819010055 [Fokin V. N., Fokina E. E., Tarasov B. P. Study of the interaction with hydrogen and ammonia of titanium and its alloys with iron // Russ. J. Appl. Chem. 2019. V. 92. N 1. P. 35–44. https://doi.org/10.1134/S1070427219010051].
  19. Тарасов Б. П., Фокина Э. Э., Фокин В. Н. Синтез гидридов интерметаллических соединений // ЖОХ. 2014. Т. 84. № 2. С. 199–203. https://www.elibrary.ru/rylkon [Tarasov B. P., Fokina E. E., Fokin V. N. Preparation of hydrides of intermetallic compounds // Russ. J. Gen. Chem. 2014. V. 84. N 2. P. 194–197. https://doi.org/10.1134/S1070363214020054].
  20. Tarasov B. P., Fokin V. N., Fokina E. E., Yartys V. A. Synthesis of hydrides by interaction of intermetallic compounds with ammonia // J. Alloys Compd. 2015. V. 645. Suppl. 1. P. S261–S266. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.007
  21. Тарасов Б. П., Фокина Э. Э., Фокин В. Н. Диспергирование и фазовые превращения при взаимодействии с аммиаком интерметаллических соединений и сплавов Ti, Zr и Y с железом и никелем // Изв. АН. Сер. Хим. 2016. № 8. С. 1887–1892. https://www.elibrary.ru/wjkwtr [Tarasov B. P., Fokina E. E., Fokin V. N. Dispergation and phase transformations in interaction with ammonia of intermetallic compounds and alloys of Ti, Zr and Y with iron and nickel // Russ. Chem. Bull. 2016. V. 65. N 8. P. 1887–1892. https://doi.org/10.1007/s11172-016-1529-2].
  22. Сон В. Б., Шимкус Ю. Я., Можжухин С. А., Бочарников М. С., Фокина Э. Э., Тарасов Б. П. Применение интерметаллидов (La,Ce)Ni5 в системах водородного аккумулирования энергии // ЖПХ. 2020. Т. 93. № 9. С. 1332–1339. https://doi.org/10.31857/S0044461820090108 [Son V. B., Shimkus Yu. Ya., Mozhzhukhin S. A., Bocharnikov M. S., Fokina E. E., Tarasov B. P. Application of intermetallics (La,Ce)Ni5 in hydrogen energy storage systems // Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. N 9. P. 1380–1386. https://doi.org/10.1134/S1070427220090104].
  23. Toby B. H. CMPR — a powder diffraction toolkit // J. Appl. Crystallogr. 2005. V. 38. P. 1040–1041. https://doi.org/10.1107/S0021889805030232
  24. Stuwe H. P., Shimomura Y. Gitterkonstanten der kubisch raumzentrierten Phasen FeTi // Z. Metallkd. 1960. Bd 51. S.180–181. https://doi.org/10.1515/ijmr-1960-510308
  25. Фокин В. Н., Фокина Э. Э., Коробов И. И., Тарасов Б. П. Фазовые превращения в системах Ti2Fe–H2 и Ti2Fe–NH3 // ЖНХ. 2016. Т. 61. № 7. С. 931–935. https://doi.org/10.7868/S0044457S16070047 [Fokin V. N., Fokina E. E., Korobov I. I., Tarasov B. P. Phase transformation in the systems Ti2Fe–H2 and Ti2Fe–NH3 // Russ. J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. N 7. P. 891–895. https://doi.org/10.1134/S0036023616070044].
  26. Schwab E., Wicke E. Nitrogen absorption by the intermetallic compound TiFe and catalytic activity in ammonia synthesis // Z. Phys. Chem. N.F. 1980. V. 122. P. 217–224. https://doi.org/10.1524/zpch.1980.122.2.217
  27. Busch G., Schlapbach L., Stucki F., Fischer P., Andresen A. F. Hydrogen storage in FeTi: Surface segregation and its catalytic effect on hydrogenation and structural studies by means of neutron diffraction // Int. J. Hydrogen Energy. 1979. V. 4. P. 29–39. https://doi.org/10.1016/0360-3199(79)90127-7
  28. Reidinger F., Lynch J. F., Reilly J. J. An X-ray diffraction examination of the FeTi–H2 system // J. Phys. F: Met. Phys. 1982. V. 12. P. L49–L55. https://doi.org/10.1088/0305-4608/12/3/007
  29. Williams M., Lototsky M. V., Davids M. W., Linkov V., Yartys V. A., Solberg J. K. Chemical surface modification for the improvement of the hydrogenation kinetics and poisoning resistance of TiFe // J. Alloys Comp. 2011. V. 509. Suppl. 2. P. S770–S774. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.11.063
  30. Breñosa A. G., Rodríguez F., Moreno M. Phase transition temperatures and thermal hysteresis in NH4Cl1–xBrx (x ≤ 0.05) crystals determined through charge transfer spectra of Cu2+(II) centres // Solid State Commun. 1993. V. 85. P. 135–140. https://doi.org/10.1016/0038-1098(93)90362-Q
  31. Numakura H., Koiwa M. Hydride precipitation in titanium // Acta Metal. 1984. V. 32. P. 1799–1807. https://doi.org/10.1016/0001-6160(84)90236-0
  32. Fischer P., Schefer J., Yvon K., Schlapbach L., Riesterer T. Orthorhombic structure of γ-TiFeD≈2 // J. Less-Common Met. 1987. V. 129. P. 39–45. https://doi.org/10.1016/0022-5088(87)90031-2
  33. Korenev V. V., Tomin V. P., Zhdaneev O. V., Kapustin V. M. Phase equilibriums of ammonium chloride systems as model hydrogenolysis products of organochlorine compounds under naphtha hydrotreating conditions // Petrol. Chem. 2022. V. 62. N 4. P. 376–382. https://doi.org/10.1134/S0965544122020177

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffraction pattern processed by the GSAS program of the product of the interaction of the sample of 99 wt% TiFe + 1 wt% NH4Cl with ammonia (300°C, 8 cycles of 4 h duration). The experimental data are shown as crosses, the calculated values are shown as a solid gray line, the background is a dotted line, the difference between the experimental and calculated data is a wide gray line, the short vertical lines at the bottom of the figure correspond to the calculated positions of the peaks of the found phases (1 - TiFe, 2 - TiFeH, 3 - NH4Cl, 4 - TiFeH2, 5 - TiH).

Download (148KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Results of thermal analysis of hydrogenation products of the sample 97 wt% TiFe + 3 wt% NH4Cl. 1 — change in sample mass as a percentage of the initial mass (TG); 2 — specific heat flow, or differential scanning calorimetry (DSC) curve.

Download (131KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Hydrogen absorption by the reaction product of 99 wt% TiFe + 1 wt% NH4Cl with ammonia (300°C, 8 cycles of 4 h duration). The hydrogen absorption curve is shown by the thick line corresponding to the left ordinate axis; the horizontal dotted lines correspond to the hydrogen content in TiFe mono- and dihydride; the thin lines show the curves of the change in reactor temperature (T) and hydrogen pressure in the system (P), corresponding to the right ordinate axis.

Download (147KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences