ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДА С НАНОЧАСТИЦАМИ ПАЛЛАДИЯ И НИКЕЛЯ

Методом молекулярной динамики исследуется взаимодействие водорода с наночастицами палладия и никеля. Металлическую частицу в модели создавали путем вырезания шара из ГЦК кристалла. Рассматривали частицы диам. 1, 2 и 3 нм. Взаимодействие атомов металла друг с другом описывали с помощью многочастичного потенциала Клери-Розато, построенного в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов водорода с атомами металла и друг с другом использовали потенциал Морзе, параметры которого были рассчитаны по экспериментальным данным энергии абсорбции, энергии активации надбарьерной диффузии водорода в металле (при нормальных и высоких температурах), энергии связи с вакансией, дилатации. В работе рассматривали температуры от 300 до 1100 К. В процессе компьютерного эксперимента температуру в расчетном блоке удерживали постоянной. Концентрация атомов водорода, вводимых в расчетный блок, соответствовала давлению 10 и 20 МПа. Начальные позиции атомов водорода в расчетном блоке (в металлической частице или вне ее) не влияли на конечное равновесное распределение водорода в расчетном блоке, которое устанавливалось после некоторого времени компьютерного эксперимента, зависящего от температуры. Как показало молекулярно-динамическое моделирование, наночастицы палладия и никеля являются эффективными аккумуляторами водорода, обладающими высокой скоростью обратимого процесса сорбции-десорбции водорода. При комнатной температуре указанные частицы сорбируют практически весь водород, который неравномерно распределяется в объеме частиц, стремясь образовать агрегаты, содержащие по несколько десятков атомов водорода. При этом в случае частиц никеля водород преимущественно располагается вблизи поверхности. В частицах палладия, напротив, водород сильнее связан с решеткой палладия, с ростом температуры образует более крупные агрегаты. Интенсивное испарение водорода частицами палладия и никеля происходит при температуре выше 700 К. При этом, согласно полученным данным, водород сильнее связан с частицами палладия, чем с частицами никеля, и работа, которую нужно затратить на эвакуацию (десорбцию) водорода в случае частиц палладия выше, чем для частиц никеля.

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики и математического моделирования

(656038, Барнаул, Алтайский край, пр. Ленина, 46)

Кандидат технических наук, директор архитектурно-строительного института

(654007, Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, 42)

Кандидат физико-математических наук, докторант

(656038, Барнаул, Алтайский край, пр. Ленина, 46)

Кандидат физико-математических наук, докторант кафедры высшей математики и математического моделирования

(656038, Барнаул, Алтайский край, пр. Ленина, 46)

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики

(656038, Барнаул, Алтайский край, пр. Ленина, 46)

1. Взаимодействие водорода с металлами / Под. ред. А.П. Захарова. – М.: Наука, 1987. – 296 с.

2. Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. Водород и несовершенства структуры металла. – М.: Металлургия, 1979. – 221 с.

3. Fukai Y. The metal-hydrogen system – basic bulk properties. – Berlin: Springer-Verlag, 1993. – 309 p.

4. Еремеев С.В., Кульков С.С., Кулькова С.Е. Влияние примесей d-металлов на границах зерен на сорбцию водорода в палладии // Физическая мезомеханика. 2010. Т. 13. № 6. P. 81 – 87.

5. Gapontsev A.V., Kondratev V.V. Hydrogen diffusion in disordered metals and alloys // Physics-Uspekhi. 2003. Vol. 46. P. 1077 – 1098.

6. Andrievski R.A. Hydrogen in nanostructures // Physics-Uspekhi. 2007. Vol. 50. P. 691 – 704.

7. Shin D.S., Robertson I.M., Birnbaum H. K. Hydrogen effects on the character of dislocations in high-purity aluminum // Acta Metallurgica. 1999. Vol. 47. P. 2991 – 2998.

8. Водород в металлах / Под ред. Г. Алефельда и И. Фелькля. Т. 2. – М.: Мир, 1981. – 480 с.

9. Lewis F.A. The Palladium–Hydrogen System // Platinum Metals Rev. 1982. Vol. 26. No. 1. P. 20 – 27.

10. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B. 1984. Vol. 29. No. 12. P. 6443 – 6453.

11. Кулабухова Н.А., Полетаев Г.М. Молекулярно-динамическое исследование сорбционных свойств точечных дефектов по отношению к водороду в Pd и Ni // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15. № 2. C. 225 – 229.

12. Кулабухова Н.А., Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Взаимодействие атома водорода с краевой дислокацией в Pd и Ni // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 1. С. 99 – 104.

13. Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Physical Review B. 1993. Vol. 48. No. 1. P. 22 – 33.

14. Poletaev G.M., Starostenkov M.D., Dmitriev S.V. Interatomic potentials in the systems Pd-H and Ni-H // Materials Physics and Mechanics. 2016. Vol. 27. No. 1. P. 53 – 59.

15. Kulabukhova N.A., Poletaev G.M., Starostenkov M.D., Kulagina V.V., Potekaev A.I. A molecular dynamics study of hydrogen-atom diffusion in fcc-metals // Russian Physics Journal. 2012. Vol. 54. No. 12. P. 1394 – 1399.

16. Kashlev Yu.A. Three regimes of diffusion migration of hydrogen atoms in metals // Theoretical and Mathematical Physics. 2005. Vol. 145. P. 1590 – 1603.

17. Tovbin Yu.K., Votyakov E.V. Evaluation of the influence of dissolved hydrogen on mechanical properties of palladium // Physics of the Solid State. 2000. Vol. 42. P. 1192 – 1195.

18. Katagiri M., Onodera H. Molecular dynamics simulation of hydrogen-induced amorphization: softening effect by incorporation of hydrogen // Materials Transactions. 1999. Vol. 40. No. 11. P. 1274 – 1280.

19. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. Диффузия в металлах и сплавах. – Киев: Наукова думка, 1987. – 511 с.

20. Tanaka K., Atsumi T., Yamada M. An internal friction peak due to hydrogen-dislocation interaction in nickel // Journal de physique. 1981. Vol. 42. No. 10. P. 139 – 144.