تقدم أبحاث مواد تخزين الهيدروجين القائمة على التيتانيوم

بفضل ضغط التوازن المنخفض لامتصاص الهيدروجين في التيتانيوم النقي وسلسلة TiZr، وقدرتها العالية على تثبيت الهيليوم، وخصائصها الكيميائية المستقرة، وسلامتها العالية للهيدريد المُشكَّل، يُمكن استخدامها لتخزين الهيدروجين طويل الأمد. تكمن المشكلة الرئيسية في تقليل سعة التخزين؛ واستنادًا إلى ضغط التوازن العالي لامتصاص الهيدروجين في نظامي TiFe وTiMn، يُمكن تطويرها وبحثها لتخزين الهيدروجين وضخه في عملية الإنتاج. كما تُتيح إعادة التدوير المتكرر للمواد وخفض التكاليف.

 لحل هذه المشكلات، ينصبُّ البحثُ الحاليُّ بشكلٍ رئيسيٍّ على استبدال العناصر. ومن المؤمل أن يُحقِّق البحثُ في مجالِ السبائكِ الثلاثيةِ أو حتى المتعددةِ اختراقاتٍ في امتصاصِ الهيدروجينِ وامتصاصِه، بالإضافةِ إلى الخصائصِ الشاملةِ للسبائكِ متعددةِ المكونات.

 1. التيتانيوم النقي

 بالمقارنة مع المواد الأخرى، يتميز التيتانيوم بأداء فائق في تخزين الهيدروجين. أولًا، يتميز التيتانيوم بسرعة امتصاصه ونزعه للهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، يبلغ ضغط التوازن لامتصاص الهيدروجين للتيتانيوم عند درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) 10-8 باسكال، ويقلل ضغط توازن الامتزاز المنخفض من فقدان الهيدروجين؛ ثانيًا، من حيث السلامة، تتميز مركبات التيتانيوم والهيدروجين بثباتها العالي وسهولة التعامل معها حتى عند تعرضها للهواء في درجة حرارة الغرفة، ولن ينطلق الهيدروجين إلا عند تطبيق درجة حرارة عالية؛ وأخيرًا، يُعد التيتانيوم معدنًا منخفض التكلفة، وهو متوفر بكثرة في الموارد الطبيعية. يبلغ محتواه في قشرة الأرض 5 أضعاف محتوى الحديد و100 ضعف محتوى النحاس. العيب الرئيسي لتخزين هيدروجين التيتانيوم هو أن درجة حرارة امتزاز هيدريد التيتانيوم مرتفعة جدًا ونسبة الاحتفاظ كبيرة. للوصول إلى ضغط هيدروجين متوازن يبلغ 100 كيلو باسكال، يجب تسخينه إلى درجة حرارة قريبة من 800 درجة مئوية.

 2. نظام TiFe

 سبيكة TiFe مادة تخزين هيدروجين عالية الأداء، وهي أيضًا سبيكة تخزين هيدروجين نموذجية من النوع AB. في عام ١٩٧٤، اكتشفها رايلي وويسوال في الولايات المتحدة. ونظرًا لاستخدامها كمواد تخزين هيدروجين، فقد خضعت سبيكة TiFe لدراسات مكثفة، حيث أولتها الشركة أهمية كبيرة وأجرت أبحاثًا مكثفة.

بعد التنشيط، تتميز سبيكة TiFe بأداء أفضل في امتصاص الهيدروجين وامتصاصه، وقدرتها على امتصاص الهيدروجين وامتصاصه كبيرة نسبيًا، وتصل أقصى قدرة امتصاص للهيدروجين إلى (الكسر الكتلي)، ويبلغ ضغط الهيدروجين المتوازن للامتصاص عند درجة حرارة الغرفة 300 كيلو باسكال. تتميز سبائك TiFe بالعديد من المزايا كمواد لتخزين الهيدروجين، ولكن هناك أيضًا بعض المشاكل: 1) صعوبة التنشيط؛ 2) سعة الاحتفاظ كبيرة.

3. سلسلة TiZr

ينتمي الزركونيوم والتيتانيوم إلى عناصر المجموعة IVB المعدنية. ومثل التيتانيوم، يُعد الزركونيوم مادة معدنية ذات كثافة امتصاص عالية للهيدروجين. وقد أظهرت الدراسات أن نسبة مناسبة من التيتانيوم/الزركونيوم تُحسّن خصائص السبيكة؛ كما أن إضافة المكون الثالث من المعدن M (حيث M هي Co، Cr، V، Fe، إلخ) يُحسّن أيضًا من أداء TiZr في تخزين الهيدروجين. وقد أظهرت الدراسات أن TiZrV يتميز بخصائص امتصاص جيدة للهيدروجين، وله تطبيقات واسعة في مجالات تخزين وتنقية الهيدروجين ونظائره.