ENERGY CONDITIONS DETERMINING SIZE RANGE IMPACTING FORMATION OF MAGNESIUM HYDRIDE

V.N. Aptukov, N.E. Skryabina, D. Fruchart

Author details

V.N. Aptukov
Perm State University, Perm, Russian Federation
N.E. Skryabina
Perm State University, Perm, Russian Federation
D. Fruchart
Université Grenoble Alpes &CNRS, Grenoble, France

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.6.01

Hydrogen, one of the most abundant elements in nature, is potentially suitable to produce, store and consume clean energy, namely for various industrial uses. The safest technique for hydrogen storage is metal hydride, e.g. as MgH2, with safe facilities to store and transport. A critical indicator of a metal-hydrogen system is the kinetic of hydrogen sorption, which is known particularly low for magnesium. However, under given thermodynamic conditions, the kinetics of magnesium/hydrogen reaction is especially sensitive to the particle size i.e. specific surface, crystallite/grain size i.e. boundary extension and nature of potential additives as catalysts. The present calculations aimed at determining the occurrence of hydride nucleation are based on a new energy ratio, as proposed at first time, which takes into account both physcis-chemical and mechanical factors. The calculations of the energy ratio are based on the minimum total energy of the system, which correctly reflects the processes occurring during hydride formation in magnesium. The critical size of a nucleus at the phase formation (hydride) in magnesium is controlled by the ratio of the volume and surface area of the emerging component, similarly to a crystallization process from a solution. The influence of the mechanical response of the system to the formation of hydride allows one to propose an interpretation of some phenomena regularly recorded during such experiments, i.e. the influence of special additives and mechanical texture, which lead to the acceleration of hydride formation. The results obtained suggest a mechanism favoring oriented nucleation of the hydride in a textured magnesium matrix thanks to the anisotropy of the elastic characteristics of the newly formed phase.

Keywords

magnesiummagnesium hydridehydride transformation areaenergy ratiosmechanical factors

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАЗМЕРНЫЙ ДИАПАЗОН ОБЛАСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРИДА МАГНИЯ

Водород – один из самых распространенных элементов в природе, является потенциально приемлемым для зарядки, производства и потребления энергии, а также для использования его в различных отраслях промышленности. Наиболее безопасный способ аккумулирования водорода – металлогидридный, например, в виде гидрида магния, что дает возможность безопасно хранить и транспортировать его. Существенным показателем эффективности системы «металл – водород» является скорость гидридного превращения, которая у магния недостаточно высока. Известно, что при оптимальных термодинамических условиях насыщения магния водородом на кинетику сорбции основное влияние оказывают размер частиц (площадь поверхности), размер кристаллитов/зерен (протяженность границ), различные добавки – катализаторы. Расчеты, выполненные в настоящем исследовании и определяющие возможность зарождения гидрида, основаны на предложенном авторами новом энергетическом соотношении, учитывающем как физико-химические, так и механические факторы. Показано, что оценка размера области фазового превращения на основе минимума полной энергии системы адекватно отражает процессы, происходящие при гидридообразовании в магнии. Размер критического зародыша при фазовом (гидридном) превращении в твердой фазе (магнии) контролируется в том числе соотношением объема и поверхности зарождающейся фазы, аналогично кристаллизации из раствора. Учет механического отклика системы на образование гидрида позволил предложить трактовку ряда явлений, которые регулярно фиксируют в процессе проведения экспериментов. Речь идет о влиянии специальных добавок и механической текстуры, инициирующих ускорение гидридообразования. Полученные результаты позволяют предложить механизм ориентированного зарождения гидрида в текстурированной матрице магния за счет анизотропии упругих характеристик образующейся фазы.

Ключевые слова

магнийгидрид магнияобласть гидридного превращенияэнергетические соотношениямеханические факторы

Bibliography

1.Jehan M., Fruchart D. McPhy-energy’s proposal for solid state hydrogen storage materials and systems // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol. – 580, suppl. 1. – P. S343–S348. DOI: 10.1016/j.jallcom. 2013.03.266 Scholar
2.Bououdina M., Grant D., Walker G. Review on hydrogen absorbing materials – structure, microstructure, and thermodynamic properties // Int. J. Hydrog. Energy. – 2006. – Vol. 31. – P. 177– 182. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2005.04.049 Scholar
3.Thermodynamic tuning of Mg-based hydrogen storage alloys: a review / M. Zhu, Y. Lu, L. Ouyang, H. Wang // Materials. – 2013. – Vol. 6 – P. 4654–4674. DOI: 10.3390/ma6104654 Scholar
4.Correlation between hydrogen storage properties and textures induced in magnesium through ECAP and cold rolling / A.M.J. Jr, G.F. de Lima, M.R.M. Triques [et al.] // Int. J. Hydrog. Energy. – 2014. – Vol. 39. – P. 3810–3821. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.12.154 Scholar
5.Microstructure Optimization of Mg-Alloys by the ECAP Process Including Numerical Simulation, SPD Treatments, Characterization, and Hydrogen Sorption Properties / N. Skryabina, V. Aptukov, P. Romanov [et al.] // Molecules. – 2019. – Vol. 24, no. 1. – P. 89. DOI: 10.3390/molecules24010089 Scholar
6.Zaluski L., Zaluska A., Ström-Olsen J.O. Nanocrystalline metal hydrides // J. Alloys Compd. – 1997. – Vol. 253–254. – P. 70–79. DOI: 10.1016/S0925-8388(96)02985-4 Scholar
7.Structural study and hydrogen sorption kinetics of ball-milled magnesium hydride / J. Huot, G. Liang, S. Boily, A. Van Neste, R. Schulz // J. Alloys Compd. – 1999. – Vol. 293–295. – P. 495–500. DOI: 10.1016/S0925-8388(99)00474-0 Scholar
8.Zaluska A., Zaluski L., Ström-Olsen J.O. Structure, catalysis and atomic reactions on the nano-scale: a systematic approach to metal hydrides for hydrogen storage // Appl. Phys. A. – 2001. – Vol. 72, no. 2. – P. 157–165. DOI: 10.1007/s003390100783 Scholar
9.Correlation between hydrogen storage properties and structural characteristics in mechanically milled magnesium hydride MgH2 / N. Hanada, T. Ichikawa, S.-I. Orimo, H. Fujii // J. Alloys Compd. – 2004. – Vol. 366. – P. 269–273. DOI: 10.1016/S0925-8388(03)00734-5 Scholar
10.Hydrogen desorption from ball milled MgH2 catalyzed with Fe / A. Bassetti, E. Bonetti, L. Pasquini [et al.] // Eur. Phys. J. – 2005. – Vol. 43 B. – P. 19–27. DOI: 10.1140/epjb/e2005-00023-9 Scholar
11.High-energy ball Milling. Mechanochemical processing of nanopowders / M. Sopicka-Lizer [et al.] / Ed. M. Sopicka-Lizer. – Woodhead Publishing in Materials, Cambridge, 2010. – 440 p. Scholar
12.Dimensional effects of nanostructured Mg/MgH2 for hydrogen storage applications: A review / T. Sadhasivam, H.-T. Kim, S. Jung, S.-H. Roh, J.-H. Park, H.-Y. Jung // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 72. – P. 523–534. DOI: 10.1016/j.rser.2017.01.107 Scholar
13.Berube V., Chen G., Dresselhaus M. Impact of nanostructuring on the enthalpy of formation of metal hydrides// Int. J. Hydrog. Energy. – 2008. – Vol. 33. – P. 4122–4131. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.05.083 Scholar
14.Zhang J., Yan S., Qu H. Stress/strain effects on thermodynamic properties of magnesium hydride: A brief review // Int. J. Hydrog. Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 16603–16610. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.05.174 Scholar
15.Tailoring magnesium based materials for hydrogen storage through synthesis: Current state of the art / Y. Sun, C. Shen, Q. Lai [et al.] // Energy Storage Mater. – 2017. – Vol. 10. – P. 168–198. DOI: 10.1016/j.ensm.2017.01.010 Scholar
16.16. Asselli A.A.C., Hébert N.B., Huot J. The role of morphology and severe plastic deformation on the hydrogen storage properties of magnesium // Int. J. Hydrog. Energy. – 2014. – Vol. 39. – P. 12778–12783. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.06.042 Scholar
17.Nanostructured MgH2 prepared by cold rolling and cold forging / D.R. Leiva, R. Floriano, J. Huot [et al.] // J. Alloys Compd. – 2011. – Vol. 509. – P. S444–S448. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.01.097 Scholar
18.Formation and dissociation of MgH2 in epitaxial Mg thin films / R. Kelekar, H. Giffard, S.T. Kelly, B.M. Clemens // J. Appl. Phys. – 2007. – Vol. 101. – P. 114311. DOI: 10.1063/1.2736304 Scholar
19.Nanoscale structure and the hydrogenation of Pd-capped magnesium thin films prepared by plasma sputter and pulsed laser deposition / S. Singh, S.W.H. Eijt, M.W. Zandbergen, W.J. Legersteece, V.L. Svetchnikov // J. Alloys Compd. – 2007. – Vol. 441, no. 1–2. – P. 344–351. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.09.108 Scholar
20.H-sorption properties and structural evolution of Mg processed by severe plastic deformation / W.J. Botta, A.M.J. Jr, M. Veron [et al.] // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol. 580. – P. S187– S191. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.03.013 Scholar
21.Improvement of hydrogen storage properties of magnesium alloys by cold rolling and forging / J. Huot, S. Amira, J. Lang, N. Skryabina, D. Fruchart // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2014. – Vol. 63, no.1. – P. 012114. DOI: 10.1088/1757- 899X/63/1/012114 Scholar
22.Nanoscale grain refinement and H-sorption properties of MgH2 processed by High-Pressure torsion and other mechanical routes / D.R. Leiva, A.M. Jorge, T.T. Ishikawa [et al.] // Adv. Eng. Mater. – 2010. – Vol. 12. – P. 786–792. DOI: 10.1002/adem.201000030 Scholar
23.Hydrogen storage properties of MgH2 processed by cold forging / A.A.C. Asselli, D.R. Leiva, G.H. Cozentino [et al.] // J. Alloys Compd. – 2014. – Vol. 615, suppl. 1. – P. S719–S724. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.01.065 Scholar
24.Structural information on ball milled magnesium hydride from vibrational spectroscopy and ab-initio calculations / H.G. Schimmel, M.R. Johnson, G.J. Kearley, A.J. Ramirez-Cuesta, J. Huot, F.M. Mulder // J. Alloys Comp. – 2005. – Vol. 393. – P. 1–4. DOI: 10.1016/j.jallcom.2004.08.102 Scholar
25.Chen Y., Williams J.S. Formation of metal hydrides by mechanical alloying // J. Alloys Compd. – 1995. – Vol. 217. – P. 181–184. DOI: 10.1016/0925-8388(94)01338-1 Scholar
26.Song M-Y., Bobet J.-L., Darriet B. Improvement in hydrogen sorption properties of Mg by reactive mechanical grinding with Cr2O3, Al2O3 and CeO2 // J. Alloys Compd. – 2002. – Vol. 340. – P. 256–262. DOI: 10.1016/S0925-8388(02)00019-1 Scholar
27.Hydrogen sorption of Mg-based mixtures elaborated by reactive mechanical grinding / J.-L. Bobet, B. Chevalier, M.Y. Song, B. Darriet, J. Etourneau // J. Alloys Compd. – 2002. – Vol. 336. – P. 292–296. DOI: 10.1016/S0925-8388(01)01883-7 Scholar
28.Konstanchuk I., Gerasimov K., Bobet J.-L. Mechanochemically prepared magnesium-based materials for hydrogen storage // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. – 2010. – No. 5. – P. 21–30. Scholar
29.Способ гидрирования материала накопителя водорода – магния или титана: пат. № RU2333150C1 / А.Е. Ермаков, Н.В. Мушников, А.А. Мысик, М.А. Уймин. – 2008. – 7 с. Scholar
30.Констанчук И.Г., Герасимов К.Б., Bobet J.-L. Механохимические подходы к созданию материалов для аккумулирования водорода на основе гидридов металлов // Химия в интересах устойчивого развития. – 2014. – № 22. – С. 1–9. Scholar
31.Konstanchuk I., Gerasimov K., Bobet J.-L. Cooperative effects at formation and decomposition of magnesium hydride in powders // J. Alloys Compd. – 2011. – Vol. 509, suppl. 2. – P. S576–S579. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.10.120 Scholar
32.Orimo S., Fujii H. Hydriding properties of the Mg2Ni-H system synthesized by reactive mechanical grinding // J. Alloys Comp. – 1996. – Vol. 232. – P. L16–L19. DOI: 10.1016/0925-8388(95)02079-9 Scholar
33.Инновационные технологии. Физические принципы формирования наноструктуры сплавов для обратимого хранения водорода / Н.Е. Скрябина, Д. Фрушар, Г. Жирард, С. Мираглиа, В.М. Пинюгжанин, Д. Лева // Вестник ПГУ. Серия Физика. – 2010. – № 1. – С. 91–97. Scholar
34.Mechanical behavior of highly reactive nanostructured MgH2 / S. Nachev, P. de Rango, N. Skryabina [et al.] // Int. J. Hydrog. Energy. – 2015. – Vol. 40. – P. 17065–17074. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.022 Scholar
35.Modeling progressive absorption of a hydride material particle submitted to hydrogen / L. Bebon, A. Maynadier, D. Chapelle, F. Thiébaud // Int. J. Hydrog. Energy. – 2021. – Vol. 46. – P. 10830–10837. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.160 Scholar
36.Аптуков В.Н., Романов П.В., Скрябина Н.Е. Механические свойства образцов магниевых сплавов до и после операции РКУП // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2013. – Т. 18, вып. 4. – С. 1990–1991. Scholar
37.Аптуков В.Н., Романов П.В., Скрябина Н.Е. Расчет пластического течения в условиях равноканального углового прессования вариационным методом // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2013. – Т. 18, вып. 4. – С. 1991–1993. Scholar
38.Влияние равноканального углового прессования на механические свойства и микроструктуру образцов магниевых сплавов / В.Н. Аптуков, П.В. Романов, Н.Е. Скрябина, Д. Фрушар // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2014. – № 3. – С. 113–128. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.07 Scholar
39.Grid method for studying deformed Mg-alloys by equal-channel angular pressing / N.E. Skryabina, V.N. Aptukov, P.V. Romanov, D. Fruchart // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2018. – No. 1–2. – P. 102–107. DOI: 10.15593/perm.mech/eng.2018.1.13 Scholar
40.Аптуков В.Н., Романов П.В., Скрябина Н.Е. Приближенное решение задачи пластического течения металлического образца при операции РКУП // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2016. – Т. 21, вып. 3. – С. 1461–1464. Scholar
41.Получение мелкодисперсных материалов на основе магния. Результаты численного моделирования и эксперимент / В.Н. Аптуков, П.В. Романов, Н.Е. Скрябина, D. Fruchart // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2017. – № 3. – С. 5–16. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.3.01 Scholar
42.Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д. Исследование механического поведения двухфазной композиции Mg–Ni в процессе быстрого сжатия // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2020. – № 2. – С. 5–15. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.01 Scholar
43.Effect of temperature on Fast Forging process of Mg-Ni samples for fast formation of Mg2Ni for hydrogen storage / D. Fruchart, V. Aptukov, N. Skryabina, P. de Rango // Int. J. Hydrog. Energy. – 2020. – Vol. 45. – P. 3008–3015. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.11.157 Scholar
44.Fast forging: a new SPD method to synthesize Mg-based alloys for hydrogen storage / P. de Rango, D. Fruchart, V. Aptukov, N. Skryabina // Int. J. Hydrog. Energy. – 2020. – Vol. 45. – P. 7912–7916. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.07.124 Scholar
45.Значимость теплопроводности и уровня напряжений при фазовом (гидридном) превращении в магнии / В.Н. Аптуков, Ю.И. Цирульник, Н.Е. Скрябина, Д. Фрушар // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2021. – № 3. – С. 12–21. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.02 Scholar
46.Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д. Энергетические условия формирования гидрида магния // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2022. – № 2. – С. 23–35. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.2.03 Scholar
47.Маллин Дж.У. Кристаллизация / пер. с англ. канд. техн. наук В.Н. Вигдоровича. – М.: Металлургия, 1965. – 342 с. Scholar
48.Качанов Л.М. Основы механики разрушения. – М.: Наука, 1974. – 312 с. Scholar
49.Аптуков В.Н. Об энергетических условиях образования сферических микродефектов в упругопластической среде // Деформирование и разрушение композитов. – Свердловск: УНЦ АН СССР, 1985. – С. 61–67. Scholar
50.Nicholson D.W. A note on void growth in ductile metals // Acta Mechanica. – 1979. – Vol. 34, no. 3–4. – P. 263–266. DOI: 10.1007/BF01227991 Scholar
51.Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. – М.: Наука, 1975. – 576 с. Scholar
52.Varin R.A., Czujko T., Wronski T.Z. Nanomaterials for Solid State Hydrogen Storage. – N.Y.: Springer, 2009. – 338 p. DOI: 10.1007/978-0-387-77712-2 Scholar
53.Auxetics among 6-constant tetragonal crystals / R.V. Goldstein, V.A. Gorodtsov, D.S. Lisovenko, M.A. Volkov // Letters on materials. – 2015. – Vol. 5, no. 4. – P. 409–413. DOI: 10.22226/2410-3535-2015-4-409-413 Scholar
54.Епишин А.И., Лисовенко Д.С. Экстремальные значения коэффициента Пуассона кубических кристаллов // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, вып. 10. – С. 74–82. DOI: 10.1134/S1063784216100121 Scholar
55.Муслов С.А. Характеристики упругой анизотропии кристаллов Ti-Ni с памятью формы и их связь с экстремальными значениями коэффициента Пуассона // Письма о материалах. – 2021. – Т. 11, № 1. – С. 28–32. DOI: 10.22226/2410-3535-2021-1-28-32 Scholar
56.Городцов В.А., Лисовенко Д.С. Модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига для гексагональных кристаллов // Вестник ЧГПУ им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. – 2019. – № 2. – С. 91–116. DOI: 10.26293/chgpu.2019.40.2.009 Scholar
57.Шаскольская М.П. Кристаллография. – М.: Высш. школа, 1984. – 376 с. Scholar
58.Huot J., Skryabina N.Ye., Fruchart D. Application of Severe Plastic Deformation Techniques to Magnesium for Enhanced Hydrogen Sorption Properties // Metals. – 2012. – Vol. 2, no. 3. – P. 329–343. DOI: 10.3390/met2030329 Scholar

Article information

Published: 21 December 2023
Issue date: 21 December 2023
Issue: No. 6 (2023)