Кінетика проникання Гідроґену в паладій в стаціонарному режимі

Е. П. Фельдман$^{1}$, О. М. Любименко$^{2}$

$^{1}$Відділення фізики гірничих процесів Інституту геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова, НАН України, вул. Сімферопольська, 2-а, 49600 Дніпро, Україна
$^{2}$Донецький національний технічний університет, вул. Потебні, 56, 43018 Луцьк, Україна

Отримано: 08.05.2024; остаточний варіант - 09.07.2024. Завантажити: PDF

Запропоновано використовувати ідею швидкости переходу Гідроґену через межу металу для розрахунку водневої проникности паладійових мембран. Введено відповідний кінетичний коефіцієнт пропорційности між густиною потоку Гідроґену та стрибком хемічного потенціялу Гідроґену на межі металу. На основі введених кінетичних коефіцієнтів встановлено критерії розмежування дифузійно-обмеженого та поверхнево-обмеженого режимів. Цей коефіцієнт піддається відносно простому експериментальному визначенню за допомогою дослідження вигину та розпрямлення паладійового кантилевера, закріпленого з однієї сторони під час взаємодії з Гідроґеном. Густина потоку Гідроґену через мембрану розраховується як функція коефіцієнта дифузії, товщини мембрани та кінетичних коефіцієнтів на вході та виході поверхонь. Результати показують, що на густину потоку Гідроґену та профіль концентрації всередині мембрани впливають товщина мембрани та швидкість проникнення Гідроґену на вхідну та вихідну поверхні. Крім того, пропонується проста схема для розрахунку водневої проникности мембран, що містять паладій, надаючи розуміння дизайну й оптимізації мембран. Визначено концентрацію атомарного Гідроґену на вході та виході з мембрани. Результати розрахунку водневої проникности збігаються з відповідними літературними даними. Дане дослідження проливає світло на чинники, що визначають проникність Гідроґену в паладійових мембранах, і пропонує цінну інформацію для розробки високоефективних технологій розділення водню.

Ключові слова: Гідроґен, паладій, дифузія, концентрація, водневі напруження, вигин, проникнення.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v46/i11/1139.html

PACS: 61.72.jj, 66.30.je, 66.30.jp, 81.05.Bx, 81.40.Lm, 81.65.Kn, 88.30.Nn


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. G. S. Burkhanov, N. B. Gorina, N. B. Kolchugina, and N. R. Rosai, Russian Chem. J., 50: 36 (2006).
  2. L. P. Didenko, M. S. Voronetsky, L. A. Sementsova et al., Int. Sci. J. Alternative Energy Ecology, 90: 154 (2010).
  3. S. M. Jokar, A. Farokhnia, M. Tavakolian M. Pejman, P. Parvasi, J. Javanmardi, F. Zare, M. Clara Gonçalves, and A. Basile, Int. J. Hydrogen Energy, 18, Iss. 16: 6451 (2023).
  4. G. P. Glazunov, V. M. Azhazha, A. А. Andreev, D. I. Baron, E. D. Volkov, A. L. Konotopskiy, I. M. Neklyudov, and A. P. Svinarenko, VANT, 91: 13 (2007) (in Russian).
  5. A. A. Pisarev, I. V. Tsvetkov, E. D. Marenkov, and S. S. Yarko, Pronitsayemost’ Vodoroda Cherez Metally [Permeability of Hydrogen through Metals] (Moskva: MIFI: 2008) (in Russian).
  6. G. Alefeld and S. Völkl, Hydrogen in Metals (Berlin: Springer Verlag: 1978).
  7. E. Fromm and E. Gebhardt, Gases and Carbon in Metals (Berlin–Heiddelberg–New York: Springer Verlag: 1976).
  8. V. N. Lobko and I. N. Beckman, Int. Sci. J. Alternative Energy Ecology, 10: 36 (2010).
  9. A. Gondolini, A. Bartoletti, E. Mercadelli, P. Gramazio, A. Fasolini, F. Basile, and A. Sanson, J. Membrane Sci., 684: 121865 (2023).
  10. W.-Y. Yu, M. G. Mullen, and C. B. Mullins, J. Phys. Chem. C, 117, Iss. 38: 19535 (2013).
  11. K. Hubkowska, M. Pajak, and A. Czerwinski, Materials, 16, Iss. 13: 4556 (2023).
  12. C. Goyhenex and L. Piccolo, Phys. Chem. Chem. Phys., 19: 32451 (2017).
  13. H. Duncan and A. Lasia, Electrochimica Acta., 53, Iss. 23: 6845 (2008).
  14. H. Wang, W. Li, H. Liu, Z. Wang, X. Gao, X. Zhang, Y. Guo, M. Yan, S. Zhang, L. Sun, H. Liu, Z. Wang, and H. Peng, ACS Applied Nano Materials, 6, Iss. 13: 12322 (2023).
  15. L. Moumaneix, A. Rautakorpi, and T. Kallio, ChemElectroChem, 10, Iss. 14: e202300111 (2023).
  16. F. A. Lewis, Int. J. Hydrogen Energy, 21, Iss. 6: 461 (1996).
  17. E. A. Crespo, S. Claramonte, M. Ruda, and S. Ramos, Int. J. Hydrogen Energy, 35, Iss. 11: 6037 (2010).
  18. H. Cheng, Separations, 10, Iss. 5: 317 (2023).
  19. B. Roy, E. L. Pointe, A. Holmes, D. Camarillo, B. Jackson, D. Mathew, and A. Craft, Materials, 16, Iss. 1: 291 (2023).
  20. S. Ryu, A. Badakhsh, J. G. Oh, H. C. Ham, H. Sohn, S. P. Yoon, and S. H. Choi, Membranes, 13, Iss. 1: 23 (2023).
  21. I. S. Petriev, I. S. Lutsenko, P. D. Pushankina V. Yu. Frolov, Yu. S. Glazkova, T. I. Mal’kov, A. M. Gladkikh, M. A. Otkidach, E. B. Sypalo, P. M. Baryshev, N. A. Shostak, and G. F. Kopytov, Russ. Phys. J., 65: 312 (2022).
  22. J. Tang, S. Yamamoto, T. Koitaya, Y. Yoshikura, K. Mukai, S. Yoshimoto, I. Matsuda, and J. Yoshinobu, Appl. Surf. Sci., 463: 1161 (2019).
  23. A. K. Chawla, Sh. Wadhwa, A. B. Dey, F. Bertram, S. A. Khan, R. Pandey, M. Gupta, V. Chawla, A. U. Rao, and D. K. Avasthi, Int. J. Hydrogen Energy, 47, Iss. 71: 30613 (2022).
  24. S. B. Eadi, J. S. Oh, Ch. Kim, G. Sim, K. Kim, H. Y. Kim, J. J. Kim, H. R. Do, S.-I. Chu, S. H. Jung, and H. D. Lee, Int. J. Hydrogen Energy, 48, Iss. 33: 12534 (2023).
  25. A. Ledovskikh, D. Danilov, and P. Notten, Phys. Rev., 76: 064106 (2007).
  26. M. L. Bosko, A. D. Fontana, A. Tarditi, and L. Cornaglia, Int. J. Hydrogen Energy, 46, Iss. 29: 15572 (2021).
  27. W.-H. Chen, Ch.-H. Lin, Y.-L. Lin, C.-W. Tsai, R.-Y. Chein, and C.-T. Yu, Chem. Eng. J., 305: 156 (2016).
  28. S. T. Oyinbo, T.-Ch. Jen, Q. Gao, and X. Lu, Vacuum, 183: 109804 (2021).
  29. E. P. Feldman, A. D. Alexeev, T. N. Melnik, and L. N. Gumen, Int. J. Hydrogen Energy, 30, Iss. 5: 509 (2005).
  30. J. Wang, Math. Proc. Cambridge Phil. Society, 32, Iss. 4: 657 (1936).
  31. O. Richardson, J. Nicol, and T. Parnell, Phil. Mag., 8, Iss. 43: 1 (1904).
  32. E. P. Feldman, O. M. Lyubimenko, and K. V. Gumennyk, J. Applied Phys., 24: 245104 (2020).
  33. E. P. Feldman and O. M. Lyubimenko, Acta Mech., 234: 1619 (2023).
  34. O. M. Lyubimenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 45, No. 2: 363 (2023) (in Ukrainian).
  35. O. M. Lyubimenko, Mater. Sci., 58: 801 (2023).
  36. O. M. Lyubimenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 7: 899 (2022) (in Ukrainian).