Водород в металлах

Гидриды металлов и интерметаллидов — их соединения с водородом.

Системы водород — металл

Системы водород — металл часто являются прототипами при изучении ряда фундаментальных физических свойств. Предельная простота электронных свойств и малая массы атомов водорода позволяют анализировать явления на микроскопическом уровне. Рассматриваются следующие задачи:

• Перестройка электронной плотности вблизи протона в сплаве с малыми концентрациями водорода включая сильное электрон-ионное взаимодействие
• Определение косвенного взаимодействия в металлической матрице через возмущение «электронной жидкости» и деформацию кристаллической решётки.
• При больших концентрациях водорода возникает проблема формирования металлического состояния в сплавах с нестехиометрическим составом.

В последнее время все больше внимания к водороду как к источнику дешевой энергии. С решением проблемы хранения и транспортировки водорода, водородная энергетика в скором будущем, возможно, выйдет на лидирующие позиции. Водород хорошо растворим во многих металлах, лучше всего в палладии Pd (в одном объёме Pd растворяется 850 объёмов водорода). Это свойство позволяет рассматривать систему водород — металл в области техники хранения и транспортировки водорода. Водород можно хранить и транспортировать в виде твердых гидридов металлов и интерметаллических соединениях, способных поглощать и отдавать при нагревании несколько сотен объёмов водорода на единицу своей массы.

Сплавы водород — металл

Водород, локализованный в междоузлиях металлической матрицы слабо искажает кристаллическую решётку. С точки зрения статистической физики реализуется модель взаимодействующего «решёточного газа». Особый интерес представляет исследование термодинамических и кинетических свойств вблизи точек фазового перехода. При низких температурах образуется квантовая подсистема с большой энергией нулевых колебаний и с большой амплитудой смещения. Это позволяет изучать квантовые эффекты при фазовых превращениях. Большая подвижность атомов водорода в металле делает возможным изучение процессов диффузии. Другим направлением исследований являются физика и физхимия поверхностных явлений взаимодействия водорода с металлами: распад молекулы водорода и адсорбция на поверхности атомарного водорода. Особый интерес представляет случай, когда начальное состояние водорода является атомарным, а конечное — молекулярным. Это важно при создании метастабильных металл-водородных систем.

Применение систем водород — металл

• Очистка водорода и водородные фильтры
• Порошковая металлургия
• Использование металлогидридов в ядерных реакторах в качестве замедлителей, отражателей и т. д.
• Разделение изотопов
• Термоядерные реакторы — извлечение трития из лития
• Устройства для диссоциации воды
• Электроды для топливных элементов и батарей
• Аккумуляция водорода для автомобильных двигателей на базе металлогидридов
• Тепловые насосы на базе металлогидридов, включая кондиционеры для автотранспорта и жилища
• Преобразователи энергии для тепловых электростанций
• Хранение и транспортировка водорода

Интерметаллические металлогидриды

Гидриды интерметаллических соединений нашли широкое применение в промышленности. Основная часть перезаряжаемых батарей и аккумуляторов, например, для сотовых телефонов, переносных компьютеров (ноутбуков), фото- и видеокамер содержит электрод из металлогидрида. Такие аккумуляторы являются экологически чистыми, так как не содержат кадмия.

Типичные никель-металлогидридные аккумуляторы