01.10.2020 - Far Eastern Federal University (FEFU)

Der Lösung eines großen Problems der Wasserstoffenergie einen Schritt näher gekommen

Metallisches Glas hat das Potenzial Palladium zu ersetzen

Ein Team von Wissenschaftlern der Far Eastern Federal University (FEFU) fand zusammen mit ihren Kollegen aus Österreich, der Türkei, der Slowakei, Russland (MISIS, MSU) und Großbritannien einen Weg, dünne metallische Glasschichten bei Raumtemperatur zu hydrieren. Mit dieser Technologie kann das Angebot an kostengünstigen, energieeffizienten und leistungsfähigen Materialien und Verfahren, die im Bereich der Wasserstoffenergie eingesetzt werden können, erheblich erweitert werden.

Das Team entwickelte eine amorphe Nanostruktur (metallisches Glas auf FeNi-Basis), die im Bereich der Wasserstoffenergie zur Akkumulation und Speicherung von Wasserstoff, insbesondere als Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien in kleinen Systemen, eingesetzt werden kann.

Metallisches Glas hat das Potenzial, Palladium zu ersetzen, ein teures Element, das derzeit in Wasserstoffsystemen verwendet wird. Der Mangel an wirtschaftlich machbaren Energiespeichersystemen ist das Haupthindernis, das eine Skalierung der Wasserstoffenergie auf das industrielle Niveau verhindert. Mit der Neuentwicklung ist das Team der Lösung dieses Problems einen Schritt näher gekommen.

"Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, eine Quelle sauberer erneuerbarer Energie, die das Potenzial hat, alle Arten von heute verwendeten Brennstoffen zu ersetzen. Seine Speicherung stellt jedoch ein großes technologisches Problem dar. Eines der Schlüsselmaterialien zur Speicherung und Katalyse von Wasserstoff ist Palladium. Es ist jedoch sehr teuer und hat eine geringe Affinität zu oxidierenden oder reduzierenden Umgebungen unter extremen Bedingungen. Diese Faktoren verhindern, dass Wasserstoffenergie auf industrieller Ebene genutzt werden kann. Das Problem kann mit metallischen Gläsern gelöst werden. Sie sind amorphe Metalle und haben keine atomare Fernordnung. Im Vergleich zu kristallinem Palladium sind metallische Gläser viel billiger und widerstandsfähiger gegen aggressive Umgebungen. Darüber hinaus können solche Gläser aufgrund des so genannten atomaren freien Volumens (d.h. des Raums zwischen den Atomen) Wasserstoff besser 'aufsaugen' als alle anderen Materialien mit kristalliner Struktur", sagte Yurii Ivanov, Assistenzprofessor der Abteilung für Computersysteme an der Fakultät für Naturwissenschaften, FEFU.

Nach Ansicht des Forschers hat metallisches Glas dank seiner amorphen Struktur, dem Fehlen bestimmter, für polykristalline Metalle typischer Defekte (wie Korngrenzen) und der hohen Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit ein enormes Potenzial in der Energieindustrie.

Was diese Arbeit einzigartig macht, ist die Tatsache, dass elektrochemische Methoden sowohl zur Hydrierung von metallischen Gläsern als auch zur Untersuchung ihrer Fähigkeit, Wasserstoff zu absorbieren, eingesetzt wurden. Standardmethoden zur Hydrierung (wie die Gasadsorption) erfordern hohe Temperaturen und Drücke, was sich negativ auf die Eigenschaften von metallischen Gläsern auswirkt und die Bandbreite der Materialien, die in der Studie verwendet werden können, einschränkt. Im Gegensatz zur Gasadsorption bewirkt die elektrochemische Hydrierung, dass Wasserstoff mit der Oberfläche einer Elektrode (aus FeNi-Metallglas) bei Raumtemperatur reagiert, genau wie im Fall von Palladium.

Die neue Methode kann als Alternative zur üblichen Gas-Fest-Reaktion für Legierungen mit geringer Kapazität oder Wasserstoff-Absorptions-/Freisetzungsgeschwindigkeit funktionieren.

Das Team schlug auch ein neues Konzept des "effektiven Volumens" vor, das zur Analyse der Effizienz der Wasserstoffaufnahme und -abgabe durch metallische Gläser verwendet werden kann. Dazu wird die Dicke und Zusammensetzung der Glas-Wasserstoff-Reaktionsfläche mit hochauflösender Elektronenmikroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie gemessen.

Für die Zukunft plant das Team die Entwicklung und Optimierung neuer metallischer Glaszusammensetzungen für praktische Energieanwendungen.

Zuvor hatte ein Team von Materialwissenschaftlern der FEFU, Cambridge (UK), und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Methode zur "Verjüngung" von 3D-Metallbrillen entwickelt, die für den praktischen Einsatz am vielversprechendsten sind. Die Gläser waren formbarer und widerstandsfähiger gegen überkritische Belastungen gemacht worden. Die verbesserten Metallgläser können in vielen Bereichen eingesetzt werden, von der Kunststoffelektronik über verschiedene Sensoren und Transformatorkerne bis hin zu medizinischen Implantaten und Schutzbeschichtungen von Satelliten.

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