Jump to content

Гидрид палладия

Гидрид палладия представляет собой металлический палладий с водородом в кристаллической решетке . Несмотря на свое название, это не ионный гидрид , а скорее сплав палладия с металлическим водородом , который можно записать PdH x . При комнатной температуре гидриды палладия могут содержать две кристаллические фазы: α и β (также называемые α '). Чистая α-фаза существует при x <0,017, а чистая β-фаза существует при x > 0,58; промежуточные значения x соответствуют смесям α-β. [1]

Поглощение водорода палладием обратимо, поэтому его исследовали на предмет хранения водорода . [2] Палладиевые электроды использовались в некоторых экспериментах по холодному синтезу в соответствии с теорией, согласно которой водород можно «втиснуть» между атомами палладия, чтобы помочь ему плавиться при более низких температурах, чем обычно.

Поглощение газообразного водорода палладием было впервые отмечено Т. Грэмом в 1866 г., а поглощение водорода, полученного электролитическим путем, при котором водород поглощался палладиевым катодом, было впервые зарегистрировано в 1939 г. [2] Грэм получил сплав состава PdH 0,75 . [3]

Изготовление гидрида палладия

[ редактировать ]

Атомы водорода занимают межузельные позиции в гидриде палладия. Связь HH в H 2 разрывается. Отношение, в котором H поглощается Pd, определяется выражением . При внесении Pd в среду H 2 при давлении 1 атм результирующая концентрация H достигает х ~ 0,7. Однако концентрация H для получения сверхпроводимости выше, в диапазоне x > 0,75. [4] Это делается тремя различными способами с мерами по предотвращению быстрой десорбции водорода из палладия.

Первый маршрут – загрузка из газовой фазы. Образец Pd помещают в ячейку высокого давления с H 2 при комнатной температуре. H 2 добавляется через капилляр. Для поддержания высокого поглощения ячейку давления охлаждают до температуры жидкого N 2 (77 К). Результирующая концентрация может достигать [H]/[Pd] = 0,97. [4]

Второй путь – электрохимическая связь. Это метод, при котором критическая концентрация сверхпроводимости может быть легко превышена без использования среды высокого давления за счет реакции равновесия между H в электрохимической фазе и H в твердой фазе. Водород присоединяется к сплавам Pd и Pd–Ni при концентрации H ~0,95. [4] После этого его загружали в электролиз 0,1nH 2 SO 4 с плотностью тока от 50 до 150 мА/см. 3 . Наконец, после снижения температуры загрузки до ~ 190 К была достигнута концентрация H x ~ 1. [4]

Третий путь известен как ионная имплантация. Перед имплантацией ионов H в Pd фольгу Pd предварительно заряжали H. Это делается в H 2 высокотемпературном газе . Это сокращает последующее время имплантации. Достигнутая концентрация составляет около x ~ 0,7. [4] После этого фольгу охлаждают до температуры 77 К, чтобы предотвратить потерю H перед имплантацией. Имплантация H в PdH x происходит при температуре 4 К. Ионы H проникают в H 2 + -луч. Это приводит к образованию слоя H с высокой концентрацией в Pd-фольге. [4]

Химическая структура и свойства

[ редактировать ]

Палладий иногда метафорически называют «металлической губкой» (не путать с буквально металлическими губками ), потому что он впитывает водород «как губка впитывает воду». При стандартных температуре и давлении палладий может поглощать в 900 раз больше собственного объема водорода. [5] Водород может поглощаться гидридом металла, а затем обратно десорбироваться в течение тысяч циклов. Исследователи ищут способы продлить срок службы палладиевого хранилища. [6]

Эффект размера

[ редактировать ]

Поглощение водорода приводит к образованию двух разных фаз, каждая из которых содержит атомы металлического палладия в гранецентрированной кубической решетке (ГЦК, каменная соль ), которая имеет ту же структуру, что и чистый металлический палладий. При малых концентрациях до PdH 0,02 решетка палладия расширяется незначительно – от 388,9 до 389,5 пм. Выше этой концентрации появляется вторая фаза с постоянной решетки 402,5 пм. Обе фазы сосуществуют до достижения состава PdH 0,58 , когда альфа-фаза исчезает. [1] Нейтронографические исследования показали, что атомы водорода хаотично занимают октаэдрические междоузлия в решетке металла (в ГЦК-решетке на один атом металла приходится одна октаэдрическая дырка). Предел поглощения при нормальном давлении составляет PdH 0,7 , что указывает на то, что около 70% октаэдрических дырок занято. При достижении x=1 октаэдрические междоузлия полностью заняты. [7] Поглощение водорода обратимо, и водород быстро диффундирует через решетку металла. Металлическая проводимость снижается по мере поглощения водорода, пока при температуре примерно PdH 0,5 твердое вещество не станет полупроводником. [3]

Образование объемного гидрида действительно зависит от размера катализатора Pd. Когда Pd становится меньше 2,6 нм, гидриды больше не образуются. [7]

Водород, растворенный в объеме, отличается от водорода, растворенного на поверхности. Когда частицы палладия уменьшаются в размере, в этих более мелких частицах палладия растворяется меньше водорода. Следовательно, на поверхности мелких частиц адсорбируется относительно больше водорода. Этот водород, адсорбированный на частицах, не образует гидрида. Следовательно, более крупные частицы имеют больше мест для образования гидридов. [7]

Электронная и фононная зона

[ редактировать ]

Важнейшим свойством зонной структуры PdH(oct) является то, что заполненные состояния Pd понижаются в присутствии водорода. Кроме того, самые низкие энергетические уровни, являющиеся связующими состояниями, у PdH ниже, чем у Pd. [8]

Кроме того, пустые состояния Pd, находящиеся ниже энергии Ферми, также понижаются в присутствии H. [8]

Палладий предпочитает находиться с водородом из-за взаимодействия между s-состоянием водорода и p-состояниями палладия. Энергия независимого атома H лежит в области энергий доминирующих p-состояний зон Pd. [8]

Поэтому эти пустые состояния по энергии Ферми и дырки в d-зоне заполняются. [8]

Кроме того, образование гидрида поднимает уровень Ферми выше d-зоны. Пустые состояния выше d-диапазона также заполняются. Это приводит к заполнению p-состояний и сдвигу «края» на более высокий энергетический уровень. [9]

Сверхпроводимость

[ редактировать ]

PdH x является сверхпроводником с температурой перехода T c около 9 К при x = 1. (Чистый палладий не является сверхпроводником.) Падение кривых удельного сопротивления от температуры наблюдалось при более высоких температурах (до 273 К) в богатых водородом ( x ~ 1), нестехиометрический гидрид палладия и интерпретируется как сверхпроводящие переходы. [10] [11] [12] Эти результаты были подвергнуты сомнению [13] [ не удалось пройти проверку ] и до сих пор не подтверждены.

Большим преимуществом гидрида палладия перед многими другими гидридными системами является то, что гидрид палладия не требует высокого давления, чтобы стать сверхпроводящим. [4] Это упрощает измерения и дает больше возможностей для различных видов измерений (многим сверхпроводящим материалам для сверхпроводимости требуется экстремальное давление, порядка 100 ГПа). [4] Таким образом, гидрид палладия также можно использовать для изучения роли, которую водород играет в этих гидридных системах, являющихся сверхпроводниками.

Восприимчивость

[ редактировать ]

Одним из магнитных свойств гидрида палладия является восприимчивость. Чувствительность PdH x существенно меняется при изменении концентрации H. [4] Это связано с 𝛽-фазой PdH x . 𝛼-фаза PdH лежит в той же области ферми-поверхности, что и сам Pd, поэтому 𝛼-фаза не влияет на восприимчивость. [4] Однако 𝛽-фаза PdH x характеризуется s-электронами, заполняющими d-зону. Следовательно, восприимчивость смеси 𝛼-𝛽 снижается при комнатной температуре с увеличением концентрации H. [4] Наконец, когда спиновые флуктуации чистого Pd уменьшатся, возникнет сверхпроводимость. [4]

Удельная теплоемкость

[ редактировать ]

Еще одно свойство металла — коэффициент электронной теплоемкости 𝛾. Этот коэффициент зависит от плотности состояний. Для чистого Pd тепловой коэффициент составляет 9,5 мДж(моль∙К^2). [4] Когда к чистому Pd добавляется H, коэффициент электронной теплоты падает. В диапазоне от x=0,83 до x=0,88 наблюдается 𝛾 в шесть раз меньше, чем для чистого Pd. [4] Эта область является сверхпроводящей областью. Однако Циммерман и др. также измерил коэффициент теплопроводности 𝛾 для концентрации x=0,96. [4] При этой концентрации наблюдалось уширение сверхпроводящего перехода. Одна из причин этого может быть объяснена неоднородностью макроскопической структуры PdH x . [4] 𝛾 при этом значении x имеет большие колебания и поэтому является неопределенным.

Критическая концентрация возникновения сверхпроводимости оценивается как x ~ 0,72. [4] Критическая температура или температура сверхпроводящего перехода оценивается в 9 К. Это было достигнуто при стехиометрической концентрации x = 1.

Давление также влияет на критическую температуру. Показано, что увеличение давления на PdH x уменьшает T c . Это можно объяснить ужесточением фононного спектра, включающим в себя уменьшение электрон-фононной константы 𝜆 . [4]

Процесс поверхностной абсорбции

[ редактировать ]

было показано, что процесс поглощения водорода Методами сканирующей туннельной микроскопии требует наличия агрегатов как минимум трех вакансий на поверхности кристалла, чтобы способствовать диссоциации молекулы водорода. [14] Проанализирована причина такого поведения и особенности строения тримеров. [15]

Использование

[ редактировать ]

Поглощение водорода обратимо и высокоселективно. Используются диффузионные сепараторы на основе палладия, хотя они не используются в промышленности. [16] Нечистый газ пропускают через тонкостенные трубки из сплава серебра и палладия, поскольку протий и дейтерий легко диффундируют через мембрану сплава. Поступающий газ чист и готов к использованию. Палладий легируют серебром для повышения его прочности и устойчивости к охрупчиванию. Чтобы избежать образования бета-фазы, поскольку отмеченное ранее расширение решетки может вызвать искажения и расщепление мембраны, температуру поддерживают выше 300°C. [3]

Другим применением гидрида палладия является повышенная адсорбция молекул H 2 по отношению к чистому палладию. В 2009 году было проведено исследование, которое проверило этот факт. [17] При давлении 1 бар измерялась вероятность прилипания молекул водорода к поверхности палладия по сравнению с вероятностью прилипания к поверхности гидрида палладия. Было обнаружено, что вероятность прилипания палладия выше при температурах, когда фаза используемой смеси палладия и водорода представляет собой чистую β-фазу, которая в данном контексте соответствует гидриду палладия (при давлении 1 бар это означает температуру выше примерно 160 градусов Цельсия). ), в отличие от температур, при которых сосуществуют β- и α-фазы, и даже более низких температур, при которых имеется чистая α-фаза (α-фаза здесь соответствует твердому раствору атомов водорода в палладии). Зная эти вероятности прилипания, можно рассчитать скорость адсорбции. в силу уравнения

где - вышеупомянутая вероятность прилипания и — поток молекул водорода к поверхности палладия/гидрида палладия.

Когда система находится в установившемся состоянии, мы должны иметь такую ​​скорость адсорбции и, наоборот, скорость десорбции ( ) равны. Это дает

Предполагается, что скорость десорбции задается больцмановым распределением, т.е.

(*)

где какая-то неизвестная константа, – энергия десорбции, – постоянная Больцмана и это температура.

Соотношение (*) можно установить, чтобы найти значение . Было обнаружено, что в пределах неопределенности эксперимента значения палладия и гидрида палладия соответственно были примерно равны. Таким образом, гидрид палладия имеет более высокую среднюю скорость адсорбции, чем палладий, а энергия, необходимая для десорбции, такая же.

теория функционала плотности Чтобы найти объяснение этому факту, была использована . Установлено, что связь водорода с поверхностью гидрида палладия слабее, чем связь с поверхностью палладия, а десорбционно-активационный барьер для гидрида палладия несколько ниже, чем для палладия, хотя барьеры адсорбции сопоставимы по величине. Более того, теплота адсорбции у гидрида палладия ниже, чем у палладия, что приводит к меньшему равновесному покрытию поверхности H. Это означает, что поверхность гидрида палладия будет менее насыщенной, что приводит к большей возможности прилипания, т.е. к более высокому прилипанию. вероятность.

Обратимое поглощение палладия является способом хранения водорода, и приведенные выше результаты показывают, что даже в состоянии палладия, поглощенного водородом, существует дополнительная возможность хранения водорода.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Манчестер, Флорида; Сан-Мартин, А.; Питре, Дж. М. (февраль 1994 г.). «Система H-Pd (водород-палладий)». Журнал фазовых равновесий . 15 (1): 62–83. дои : 10.1007/BF02667685 . S2CID   95343702 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Грочала, Войцех; Эдвардс, Питер П. (март 2004 г.). «Термическое разложение невнедренных гидридов для хранения и производства водорода». Химические обзоры . 104 (3): 1283–1316. дои : 10.1021/cr030691s . ПМИД   15008624 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 1150–151. ISBN  978-0-08-037941-8 .
  4. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р Каваэ, Тацуя; Инагаки, Юдзи; Вэнь, Си; Хирота, Сухей; Ито, Дайки; Кимура, Такаши (15 мая 2020 г.). «Сверхпроводимость в гидридных системах палладия» . Журнал Физического общества Японии . 89 (5): 051004. Бибкод : 2020JPSJ...89e1004K . дои : 10.7566/JPSJ.89.051004 . HDL : 2324/7172285 .
  5. ^ Ральф Вольф; Халид Мансур. «Удивительная металлическая губка: впитывание водорода». Архивировано 16 ноября 2015 г. в Wayback Machine .1995.
  6. ^ «Продление срока службы палладиевых кроватей». Архивировано 31 октября 2015 г. в Wayback Machine .
  7. ^ Перейти обратно: а б с Тью, Мин Вэй; Миллер, Джеффри Т.; ван Боховен, Йерун А. (27 августа 2009 г.). «Влияние размера частиц на образование гидридов и поверхностную адсорбцию водорода наноразмерных палладиевых катализаторов: рентгеновская абсорбционная спектроскопия L 3 Edge и K Edge». Журнал физической химии C. 113 (34): 15140–15147. дои : 10.1021/jp902542f .
  8. ^ Перейти обратно: а б с д Сетайанде, СС; Уэбб, CJ; Грей, Э. МакА. (1 декабря 2020 г.). «Электронные и фононные зонные структуры палладия и гидрида палладия: обзор». Прогресс в химии твердого тела . 60 : 100285. doi : 10.1016/j.progsolidstchem.2020.100285 . S2CID   225592643 .
  9. ^ Дэвис, Р.Дж.; Лэндри, С.М.; Хорсли, Дж.А.; Будар, М. (15 мая 1989 г.). «Рентгеноабсорбционное исследование взаимодействия водорода с кластерами нанесенного палладия». Физический обзор B . 39 (15): 10580–10583. Бибкод : 1989PhRvB..3910580D . дои : 10.1103/PhysRevB.39.10580 . ПМИД   9947864 . S2CID   13476324 .
  10. ^ Триподи, Паоло; Ди Джоаккино, Даниэле; Борелли, Родольфо; Винко, Дженни Дарья (май 2003 г.). «Возможность существования высокотемпературных сверхпроводящих фаз в PdH». Физика C: Сверхпроводимость . 388–389: 571–572. Бибкод : 2003PhyC..388..571T . дои : 10.1016/S0921-4534(02)02745-4 .
  11. ^ Триподи, Паоло; Ди Джоаккино, Даниэле; Винко, Дженни Дарья (август 2004 г.). «Сверхпроводимость в PdH: феноменологическое объяснение». Физика C: Сверхпроводимость . 408–410: 350–352. Бибкод : 2004PhyC..408..350T . doi : 10.1016/j.physc.2004.02.099 .
  12. ^ Триподи, Паоло; Ди Джоаккино, Даниэле; Винко, Дженни Дарья (2007). «Обзор свойств высокотемпературной сверхпроводимости системы PdH». Международный журнал современной физики Б. 21 (18 и 19): 3343–3347. Бибкод : 2007IJMPB..21.3343T . дои : 10.1142/S0217979207044524 .
  13. ^ Барановский, Б.; Дембовска, Л. (июнь 2007 г.). «Замечания о сверхпроводимости в PdH». Журнал сплавов и соединений . 437 (1–2): L4–L5. дои : 10.1016/j.jallcom.2006.07.082 .
  14. ^ Мицуи, Т.; Роуз, МК; Фомин Е.; Оглтри, DF; Салмерон, М. (апрель 2003 г.). «Диссоциативная адсорбция водорода на палладии требует агрегатов из трех и более вакансий» . Природа . 422 (6933): 705–707. Бибкод : 2003Natur.422..705M . дои : 10.1038/nature01557 . ПМИД   12700757 . S2CID   4392775 .
  15. ^ Лопес, Нурия; Лодзяна, Збигнев; Иллас, Франческ; Салмерон, Микель (29 сентября 2004 г.). «Когда Ленгмюр слишком прост: диссоциация H 2 на Pd (111) при высоком покрытии». Письма о физических отзывах . 93 (14): 146103. Бибкод : 2004PhRvL..93n6103L . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.146103 . hdl : 2445/13263 . ПМИД   15524815 . S2CID   4809736 .
  16. ^ Хойссингер, Питер; Ломюллер, Райнер; Уотсон, Аллан М. (2011). «Водород, 3. Очистка». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.o13_o04 . ISBN  978-3-527-30385-4 .
  17. ^ Йоханссон, М.; Скуласон, Э.; Нильсен, Г.; Мерфи, С.; Нильсен, Р.М.; Чоркендорф, И. (апрель 2010 г.). «Адсорбция водорода на палладии и гидриде палладия при давлении 1 бар». Поверхностная наука . 604 (7–8): 718–729. Бибкод : 2010SurSc.604..718J . дои : 10.1016/j.susc.2010.01.023 .
[ редактировать ]
  • Грасофф, Дж.Дж.; Пилкингтон, CE; Корти, CW (1 октября 1983 г.). «Очистка водорода» (PDF) . Обзор платиновых металлов . 27 (4): 157–169.
  • Алтуноглу, Абдулкадир (1994). Проникновение водорода через никель и никелевые сплавы: поверхностные реакции и захват (Диссертация). дои : 10.21954/ou.ro.00004d82 .
  • Брегер, В.; Гилеади, Э. (1 февраля 1971 г.). «Адсорбция и абсорбция водорода в палладии». Электрохимика Акта . 16 (2): 177–190. дои : 10.1016/0013-4686(71)80001-4 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 39ae892a194266e27594fce130b24e1e__1719195720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/39/1e/39ae892a194266e27594fce130b24e1e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Palladium hydride - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)