Teorijsko i eksperimentalno istraživanje uticaja TiO2 na sorpciju vodonika u MgH2/Mg sistemu

Abstract

Magnezijum hidrid, materijal pogodan za skladištenje vodonika zbog velikegravimetrijske i zapreminske gustine, niske cene i netoksičnosti, još nije našao širokuindustrijsku primenu usled velike termodinamičke stabilnosti i visoke temperaturedesorpcije vodonika (447°C). Nepovoljna termodinamika i spora kinetika sorpcije semože poboljšati dodatkom aditiva što destabiliše kristalnu rešetku MgH2. U okviru ovedoktorske disertacije urađena su teorijska i eksperimentalna ispitivanja magnezijumhidrida dopiranog titan dioksidom. Cilj je razumevanje uticaja aditiva i međufaznegranice metal/hidrid, koja nastaje u procesu prodiranja vodonika u potpovršinskeslojeve, na mehanizam i reakciju desorpcije vodonika.Kompoziti MgH2-TiO2 sa 10 mas.% anataz i rutil TiO2, su sintetisanimehaničkim mlevenjem u toku 10 i 20h. Različite polimorfne forme su korišćene kakobi se ispitao njihov uticaj na desorpcione karakteristike MgH2. Dekompozicija hidrida jepraćena diferencijalnom termijskom analizom i odvija se u tri stupnja.Srednjetemperaturski pikovi se pojavljuju zbog katalitičkog uticaja dopanta, a najnižatemperatura 380°C je dobijena za uzorak sa rutil TiO2 mlevenim 10h, dok je zakompozit sa anataznom fazom koji je mleven 20h temperatura daleko viša, 412°C.Proces desorpcije se najbolje opisuje Avrami-Erofejevim kinetičkim modelom za n=4,što isključuje difuziju, a upućuje na procese nukleacije i promene dimenzionalnostikristala kao odlučujuće procese za desorpciju. Zaključeno je da kristalna strukturadopanta igra presudnu ulogu u ubrzanju reakcije desorpcije.Interakcija vodonika sa (110) površinom rutil TiO2, ispitivana teorijomfunkcionala gustine, pokazuje da atomski slojevi paralelni površini koji sadrže atome Tii O deluju kao barijere za prolazak vodonika ka dubini materijala. Između ovih slojevasu oblasti osiromašene naelektrisanjem u kojima atom H lako prelazi sa jednog na drugiatom O. Potvrđeno je i da se uticaj površine može ograničiti na nekoliko atomskihslojeva koji su joj najbliži.Simulacije ponašanja sistema međufazne granice MgH2/Mg dopirane Ti i TiO2su pokazale da je formiranje defekata energijski povoljniji proces, s tim što je sistemdopiran sa TiO2 stabilniji. Praćenje mobilnosti vodonika u blizini međufazne granicehidrid/metal na različitim temperaturama pokazuje da difuzija vodonika u sistemudopiranom Ti počinje na 127°C, a u sistemu sa TiO2 nema primetne difuzije čak i navišim temperaturama. Kiseonik u blizini Ti kao izrazitiji akceptor elektrona posrednoutiče na skraćenje Ti-H veze, i samim tim smanjuje mobilnost vodonika u blizinidopanta...