لقد أتاح نهج جديد إنشاء مواد للطاقة الهيدروجينية ذات خصائص محددة

تظل إحدى المشاكل الرئيسية للطاقة الهيدروجينية هي الافتقار إلى المبادئ الفيزيائية التي تربط بنية المواد بخصائصها الوظيفية. على الرغم من سنوات عديدة من البحث، اعتمد تطوير أنظمة هيدريد المعدن بشكل كبير على الاختيار التجريبي للتركيبات والتحسين التجريبي اللاحق، في حين ظلت آليات تأثير النظام الفرعي للخلل على سلوك الهيدروجين موصوفة بشكل مجزأ. لحل هذه المشكلة، طور علماء من جامعة تومسك بوليتكنيك نهجًا جديدًا يعتمد على قياس طيف الإبادة البوزيترونية في الموقع، مما يجعل من الممكن دراسة تطور بنية الخلل في المواد مباشرة في عملية امتصاص الهيدروجين وامتزازه. يسمح مجمع الأبحاث الذي تم إنشاؤه بإجراء التجارب عند ضغوط تصل إلى 5 ميجا باسكال ودرجات حرارة تصل إلى 900 درجة مئوية، مما يجعل ظروف القياس أقرب إلى ظروف تشغيل المواد. نُشرت نتائج العمل في مجلة Bulletin of Materials Science (Q3, IF: 2.1). “تسجل معظم الطرق الحالية حالة المادة قبل التفاعل مع الهيدروجين وبعده، باستثناء ديناميكيات العمليات تقريبًا. في هذا النهج، نلاحظ تطور بنية الخلل في الوقت الفعلي ويمكننا ربطه بحركية تراكم الهيدروجين وإطلاقه. وهذا يغير بشكل أساسي نوع البيانات التي تم الحصول عليها – من “اللقطات” الثابتة إلى وصف المادة العاملة،” كما يشير رومان لابتيف، المؤلف المشارك للدراسة، وأستاذ قسم الفيزياء التجريبية في جامعة هارفارد. مدرسة TPU لهندسة التكنولوجيا النووية. ككائنات نموذجية، قام الباحثون بدراسة سلسلة من المركبات المعتمدة على هيدريد المغنيسيوم باستخدام إضافات مختلفة تم تطويرها مسبقًا في مادة TPU. تعتبر هذه المواد أنظمة واعدة لتخزين الهيدروجين في الطور الصلب بسبب قدرتها العالية وسلامتها التشغيلية. أظهر النهج المتبع في دراسة المواد الذي اقترحه العلماء أن حركية عمليات تخزين الهيدروجين لا يتم تحديدها فقط من خلال التركيب الكيميائي، ولكن أيضًا من خلال التنظيم الزماني المكاني للعيوب والواجهات وعدم التجانس الهيكلي على مستويات متعددة. تم إنشاء آليات عمل الهياكل النانوية الكربونية، والأطر المعدنية العضوية، والمضافات المعدنية النانوية الحجم، والمراحل بين المعدنية التي تشكل قنوات لنقل الهيدروجين المتسارع وتحديد مشهد الطاقة لهجرته. على وجه الخصوص، فإن إضافة النيكل النانوي لا يؤدي فقط إلى تأثير تحفيزي، ولكن أيضًا إلى تكوين تكوينات خلل مستقرة ومراحل بين المعادن، والتي تعيد ترتيب حركية نقل الهيدروجين بشكل جذري وتقليل حواجز الطاقة التي تحول دون إطلاقه وامتصاصه. يقول فيكتور: “على مر السنين، تراكمت مجموعة كبيرة من البيانات التجريبية في مجال مواد تخزين الهيدروجين، ولكن كان هناك نقص في الصورة المتماسكة التي تشرح دور المواد المضافة المختلفة على المستوى الميكانيكي. في عملنا، تمكنا من تحديد هذه الآليات وإظهار أن البنية المعيبة هي التي تحدد حركية عمليات الامتصاص والامتزاز. وهذا يسمح لنا بالانتقال من اختيار المكونات إلى التصميم المتحكم فيه للسلوك الوظيفي للمواد”. كودياروف، مؤلف مشارك في الدراسة، وأستاذ مشارك في قسم الفيزياء التجريبية في كلية هندسة التقنيات النووية. وهكذا، فإن العمل يؤسس لمبدأ جديد لعلم المواد فيما يتعلق بالطاقة الهيدروجينية: الخواص الوظيفية لا يتم تحديدها من خلال التركيب أو مجموعة من المواد المضافة، ولكن من خلال التطور المتحكم فيه للهندسة المعمارية المعيبة في ظل ظروف التشغيل، مما يفتح المجال للانتقال إلى التصميم التنبؤي لأنظمة تخزين ونقل الهيدروجين.