5. Összefoglaló, következtetések

Dolgozatomban a hidrogén abszorpció és deszorpció folyamatát vizsgáltam in-situ ellenállásmérésekkel, gyorshűtéssel előállított amorf Ni-Zr-Me (Me = Cu, Cr, Pd) ötvözetekben.

Kidolgoztam egy nagynyomású hidrogén gázban működő, a hidrogén felvételi és leadási folyamatok vizsgálatára alkalmas ellenállásmérő-rendszert és az ellenállás-változás automatikus nyomon követésére alkalmas számítógépi programot. A kísérletek mellett, a létrehozott mérőberendezés felhasználásával, előállíthatóak ellenőrzött hidrogéntartalmú minták is, különféle alkalmazási célokra.

Az amorf Ni-Zr-Me ötvözetek hidrogénnel szembeni viselkedésével kapcsolatban új tudományos eredményeket értem el. Megállapításaimat a következő fejezetben, tézisek formájában ismertetem.

A minták felületi előkészítésének megfelelő megválasztásával (felületi oxidréteg feltörése, effektív felület növelése) elértem, hogy az első hidrogénezés időigénye kevesebb, mint harmincad részére csökkent, és az ismételt feltöltések időigénye 20 percnél kisebb lett. Ez az érték már biztató, az a műszaki alkalmazások szempontjából is figyelemre méltó.

A kísérleti eredmények összefoglalásaként kijelenthető, hogy a vizsgált ötvözetcsoportból hidrogéntárolás céljára a Ni67Zr33 amorf ötvözet a legalkalmasabb, mind a reverzibilis hidrogéntároló képesség, mind a hidrogén felvételi és leadási kinetika szempontjából.

Az elért eredmények alapján úgy vélem, hogy a vizsgálatok jelenlegi fázisa alapján a Ni67Zr33 amorf ötvözetcsalád még nem alkalmas gazdaságos hidrogéntárolási célú felhasználásra, de további fejlesztésekkel (újabb ötvözőelemek, nanokristályos állapotra történő hőkezelés, stb.) alkalmassá tehető. E célból további vizsgálatokat tartok szükségesnek.

 

6. Tudományos eredmények tézisszerű összefoglalása
  1. Ni67-xCuxZr33 (x = 0, 6, 16, 33) amorf ötvözetekben gáz fázisból történő hidrogén bevitel során meghatároztam a hidrogéntartalom és a hidrogénezés előtti állapotra normált relatív ellenállás kapcsolatát, mely a mérési tartományon belül monoton növekvő, és szemben az irodalomban kis hidrogéntartalmakra közölt lineáris közelítéssel, tört kitevőjű alakú hatványfüggvénnyel közelíthető (a és b paraméterek).

  2. In-situ ellenállásmérések felhasználásával meghatároztam az egyensúlyi hidrogéntartalom nyomás és hőmérsékletfüggését (PCT diagram) Ni67Zr33 amorf ötvözetben, 0,001-8,6 MPa nyomás és 298-373 K hőmérséklet tartományban. Egyezésben a Ni50Zr50 és a Ni33Zr67 amorf ötvözetekre közölt irodalmi eredményekkel a Sieverts törvénytől való eltérést állapítottam meg amorf Ni67Zr33 ötvözet esetében 298K - 373 K hőmérséklet tartományban.

  3. Hidrogénnel történő ciklikus felöltések során, 6 MPa H2 nyomáson, 298-373 K hőmérséklet tartományban meghatároztam a reverzibilisen és az irreverzibilisen oldott hidrogén mennyiségét Ni67-xCuxZr33 (x = 0, 6, 16, 33) amorf ötvözetekben. A maximális elért oldott hidrogén tartalom 0,93 tömeg % volt. A reverzibilisen oldott hidrogén mennyisége rézzel történő ötvözés hatására jelentősen csökkent.

  4. Megállapítottam, hogy Ni67-xCuxZr33 (x = 0, 6, 16, 33) amorf ötvözetekben állandó H2 nyomás mellett a hőmérséklet növekedésével csökken az egyensúlyi hidrogéntartalom. A hőmérséklet emelésével ugyanakkor jelentősen felgyorsulnak mind a telítési, mind a kiürítési folyamatok. A kiürítéshez szükséges időtartam csak a hőmérséklettől függ, a ciklusszámmal nem vagy csak kis mértékben változik.

  5. A ciklikus vizsgálatok alapján megállapítottam, hogy a Ni67-xZr33Mex (Me = Cu, Cr, Pd, x=0, 3, 5, 6, 16, 33) amorf ötvözetcsoportban, gáz fázisú feltöltés esetében az aktiválási folyamatok az első feltöltés során lezajlanak, a további deszorpciók és hidrogénezések már egyforma lefutású görbéket adnak (azonos kinetikájúak)

  6. Amorf Ni67-xZr33Mex (Me = Cu, Cr, Pd, x=0, 3, 5, 6, 16, 33) ötvözetcsoport ciklikus hidrogén feltöltése és kiürítése alapján megállapítottam, hogy az ötvözetcsoporton belül a Ni67Zr33 biner ötvözet hidrogénfelvétele és leadása a leggyorsabb. A vizsgált ötvözőelemek lassítják a hidrogén felvételét és leadását is. Ezt a hatást a növekvő kémiai rendezetlenséggel magyaráztam.

  7. Ellenállásmérések segítségével kimutattam, hogy a gázfázisból történő abszorpció aktiválási folyamatai közül a felületi oxidréteg jelenlétével kapcsolatos felületi jelenségeknek van alapvető szerepe a hidrogénezéshez szükséges időtartam meghatározásában. Megállapítottam, hogy az első hidrogénfelvétel során lezajló aktivációs folyamat felületi jelenségek mellett egy irreverzibilis térfogati átrendeződést is tartalmaz.

  8. Transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálatok felhasználásával megállapítottam, hogy Ni67-xCuxZr33 (x = 0, 6, 16, 33) amorf ötvözetekben a hidrogénnel történő ciklikus felöltések során a hidrogén hatására folyamatosan előrehaladó szerkezeti átrendeződés, rézben dúsuló amorf fázis-szeparációja jön létre.

 

Köszönetnyilvánítás

Ezúton szeretném kifejezni köszönetemet mindazoknak, akik e munka létrehozásában a segítségemre voltak. Elsősorban tudományos vezetőmnek Dr. Lovas Antalnak; kollégáimnak a Szilárdtestfizikai Kutató Intézetben (Dr. Bakonyi Imre, Dr. Varga Lajos, Hargitai Csaba, Dr. Tompa Kálmán, Dr. Tóth József, Dr. Pogány Lajos, Bánki Péter, Varga István, Balogh István) és a BME Gépipari Technológia Tanszéken (Dr. habil. Takács János és munkatársai). Közös munkánk során sokat tanultam tőlük, alkalmam volt megismerni a kutatói és az oktatói hivatás szépségeit és nehézségeit. Köszönöm nekik a tartalmas konzultációkat, melyek során sok esetben többet tanultam a fizikáról, mint megannyi tankönyv átolvasásával.

Külön köszönet illeti meg mindazokat, akik kérésemre mérésekkel, mikroszkópos felvételekkel segítették munkámat illetőleg bevontak saját kutatásaikba. Ez úton szeretném megköszönni Dr. Tompa Kálmánnak és Bánki Péternek az NMR berendezéssel, Dr. Vasáros Lászlónak a gáz-kromatográfiás eljárással végzett hidrogéntartalom meghatározásokat; Cziráki Ágnesnek (ELTE) a transzmissziós elektronmikroszkóppal készített felvételeket, Varga István doktorandusz kollégámnak pedig a pásztázó elektronmikroszkópos felvételek elkészítését.

Végül, de nem utolsó sorban itt szeretném megköszönni az Országos Tudományos Kutatási Alap támogatását, mely az OTKA T4228 és az OTKA T16670 témákon keresztül részben finanszírozta munkámat.

 

Melléklet: Definíciók, fogalommagyarázatok

H/M: Egy fém hidrogéntartalmának megadására alkalmas mérőszám, azt adja meg, hogy egy fématomra hány H atom jut az ötvözetben.  

Nanokristályos anyagok: szilárd anyagok, melyek - legalább egy dimenzióban - vagy maguk nanoméretűek, vagy bennük a kristályszerkezet 1-100 nm közötti távolságon belül rendszeresen ismétlődik, a jellemző szemcseméret ebbe a tartományba esik.

Amorf ötvözetek (fémüvegek): A legtöbb elem vagy vegyület olvadásakor olyan olvadék keletkezik, melynek belső súrlódása, viszkozitása h = 0,002 Pa.s értékkel kb. a vízének felel meg. Ezek a folyadékok gyors lehűléskor is teljes egészükben meghatározott hőmérsékleten, a fagyásponton kristályosodnak, esetleg átmeneti túlhűtés következik be a fagyáspontnál néhány fokkal alacsonyabb hőmérsékletig. Egyes anyagok azonban (pl. SiO2, BeF2) igen viszkózus (h =104-106 Pa.s) olvadékokat képeznek. Ha hosszabb ideig tartjuk őket a fagyáspontnál kissé alacsonyabb hőmérsékleten, lassan kristályosodnak, mivel itt a kristályos fázis termodinamikailag stabilabb, mint a folyékony. Kellően gyors lehűléskor azonban a kristályosodás néha teljesen elmarad. Mindössze a folyadék viszkozitása nő olyan mértékben, hogy a Tg átalakulási (transzformációs) pont alatt (ez utóbbi tulajdonképpen egy átalakulási intervallum) látszólag szilárd test, üveg keletkezik. A Tg pont olyan hőmérséklet tartományt jelent, amelyben az üveg egyes tulajdonságai (pl. a fajlagos hőkapacitás, a hőtágulási együttható és a törésmutató) különösen nagy változáson mennek keresztül. A viszkozitás 1012 Pa.s körüli értékű.

Az utóbbi 30 év fémkutatásának egyik legnagyobb eredménye, hogy az ötvözetek jó néhány csoportja ugyanolyan üvegállapotba hozható, ha az alkalmazott hűtési sebesség 104-106 K/s tartományban van (amorf ötvözetek). A fémes üvegállapotot a szilikátüvegekhez hasonlóan rövidtávú kémiai rend jellemzi, ami abban nyilvánul meg, hogy az első atomi koordinációs környezetben a komponensek aránya nagyon hasonló valamely intermetallikus vegyületéhez, amely az adott ötvözetrendszerben, mint kristályos fázis megtalálható. A hosszú távú kristályos rend ugyanakkor hiányzik belőlük. Az amorf ötvözetekben - éppúgy, mint a közönséges folyadékokban - a kialakult atomi rend mérete az atomok közötti távolság nagyságrendjébe esik. A folyadékok és az üvegek röntgen-diffrakciós felvételein egy vagy két diffúz gyűrű látható, melyek teljesen különböznek a polikristályos fémek éles diffrakciós gyűrűitől[29]. A fenti tulajdonságok együttese alapján nevezik ezeket az ötvözeteket üvegfémeknek is.




Hátra Kezdőlap Előre