Моделирование прояснило механизм высвобождения водорода в топливных элеменах

Водород, это самый простой и самый распространенный на Земле элемент. Он же является наиболее перспективным носителем для систем «чистой» энергетики, применяясь в топливных ячейках электромобилей и для аккумуляции энергии из возобновляемых источников в периоды сниженного потребления. Для обеспечения большой плотности энергии у таких источников требуется высокая скорость протекания реакции дегидрогенизации — выделения водорода из связанного состояния.

Коллектив ученых из университета в Санта-Барбара (штат Калифорния) пролили дополнительный свет на кинетику вывода водорода из гидрида алюминия. Этот материал имеет низкую энергию связывания водорода, поэтому скорость дегидрогенизации у него довольно велика. В то же время, дальнейшему ее росту препятствуют высокие кинетические барьеры, природа которых была неясна.

Выполненное компьютерное моделирование продемонстрировало базовые механизмы, управляющие протеканием этих химических реакций. Процесс диффузии индивидуальных атомов водорода в гидриде алюминия, как оказалось, обусловлен появлением дефектов — вакансий. Если атом водорода в каком-то месте отсутствует, на эту позицию может переместиться соседний атом, создавая, таким образом, движение водорода в материале.

Группа выделила ключевые параметры из сложных уравнений, описывающих данный процесс, и использовала их в моделировании кинетическим методом Монте-Карло. Это позволило определить, как именно водород высвобождается, оставляя за собой кластеры атомов алюминия. В ходе вычислений с высокой точностью отслеживались образование зародышей и рост алюминиевой фазы, скорость выхода водорода.

Важным следствием данной работы стало выяснение фактора, ограничивающего скорость дегидрогенизации. В противоположность выводам прежних исследований, базировавшимся на интерпретации формы графиков реакции, численное моделирование со всей определенностью продемонстрировало, что им является диффузия точечных дефектов.

Полученные результаты описаны в статье «Dehydrogenation of AlH3 via the Vacancy Clustering Mechanism», которая вышла в журнале Journal of Physical Chemistry.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365