Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: http://repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/16006
Título : Aleaciones base Mg para el almacenamiento de hidrógeno producidas por aleado mecánico
Autor : DR. CABAÑAS MORENO, JOSÉ GERARDO
PALACIOS LAZCANO, ANGEL FRANCISCO
Palabras clave : Aleaciones base Mg
almacenamiento de hidrógeno
aleado mecánico
Fecha de publicación : 22-nov-2011
Resumen : Geometry optimization jobs based on Density Functional Theory were performed on given atom arrangements to estimate the enthalpy of formation of the hydrides MgH2 and (Mg-M)H2 (M= Y, Sc, Li, Zn, Ga, Al, Ag) and assess the thermodynamic destabilization brought about by the addition of M. The effect of the dissolution of hydrogen in Mg and Mg-M was also investigated in order to find a more favorable environment for the dissolution of H atoms in the Mg M-substituted matrix. The largest destabilizing effects are found by the alloying additions (Ag and Ga) which produce the smallest reduction of the enthalpy of solution of H. On the other hand, those which favor the dissolution of H the most (Sc and Y) are precisely those which produce the most stable hydrides. Nevertheless, the addition of Ag, Li, Ga, Al or Zn seems to produce both a less stable hydride and a more favorable environment for the dissolution of hydrogen, pointing to the possibility of lower dehydriding temperatures and faster hydriding/dehydriding kinetics. Experimentally, elemental powders of Mg and Mg-M mixtures (M = Al, Ag, Zn, LiH, Fe and Y) were subjected to mechanical alloying (MA) in order to produce binary Mg-M (M = Al, Ag, Zn, LiH, Fe e Y) alloys. Looking up for synergy effects, ternary Mg-M-Fe (M = Ag y Zn) and four-element (Mg-Zn-Ag-Fe) alloys were also produced. The as-milled powders were characterized by X-ray diffraction (XRD), SEM-chemical microanalysis and TEM. Phase quantification by the Rietveld Method was also performed. A crystal size below 50 nm was found in all the as-milled powder alloys after 216 ks of high-energy ball milling. Apparent solid solutions of M in Mg were obtained in the cases of M = Al, Ag and Zn, judging by the presence of only Mg peaks in the corresponding XRD patterns. Reflections from Yttrium hydrides and MgO were found, beside those of Mg, in the XRD pattern of the Mg-Y alloy. Bragg reflections from MgO, Mg and Fe were found in the XRD pattern of the Mg-Li alloy, the iron presence explained by the wearing-off of the milling media. Fe content in this alloy ranged between 3-6 wt. %. The hydriding reaction was carried out in a pressurized-stainless steel vessel using the MA powder products without any activation treatments under 200 °C/0.5 MPa 𝑃𝐻2 y 300 °C/3 MPa 𝑃𝐻2for 10 and 30 minutes. The hydrided powders were characterized by X-ray diffraction (XRD), SEM-chemical microanalysis and TEM. Phase quantification by the Rietveld Method was also performed. Maximum contents of MgH2 of 62, 73 and 81 wt. % (corresponding to 4.8, 5.6 y 6.2 wt. %p of hydrogen) were found for milled Mg and binary Mg-Li and Mg-Fe alloys, respectively after hydriding at 300 °C/3 MPa 𝑃𝐻2for 30 minutes. None of the ternary or four-element alloys showed higher MgH2 contents that the binary Mg-Fe alloy. Selected alloys (Mg, Mg-Li y Mg-Fe) were also subjected to in situ hydriding/dehydriding reactions using an automated thermogravimetric apparatus to obtain kinetic (wt. % H vs. time plots) and thermodynamic data (pressure-composition isotherms). Hydriding (350 °C/3 MPa 𝑃𝐻2) velocities of 0.25, 0.15 and 0.18 wt. %min-1 were found for the Mg-Li, Mg-Fe and Mg samples, respectively. The corresponding values for the dehydriding velocity were 0.14, 0.09 and 0.09 wt. %min-1, respectively. A destabilizing effect was found by the addition of Fe, according to the values of the equilibrium pressure (dehydriding) of 0.38, 0.22 and 0.07 MPa for the Mg-Li, Mg-Fe and Mg samples. The best hydriding/dehydriding properties were those of the Mg-Li alloy (also containing Fe), presumably by the combined catalytic effect of Li and Fe. More detailed studies, both theoretical and experimental, are required to elucidate the catalytic mechanism of these additions on Mg.
Descripción : Mediante rutinas de optimización geométrica basadas en la Teoría de Funcionales de la Densidad (TFD) para un determinado arreglo de átomos, se calculó la entalpía de formación de hidruros binarios (Mg,M)H2 (M = Al Ag, Ga, Li, Sc, Y, Zn) y, con ello, estimar la desestabilización termodinámica de tales hidruros, con respecto al hidruro MgH2, obtenida por la adición del metal M. En forma análoga, se estimó la entalpía de disolución de hidrógeno en una matriz de Mg y en una de Mg-M para encontrar los ambientes más favorables para la disolución de los átomos de H en la matriz de Mg. Los cálculos realizados indican que los elementos aleantes M que inducen la mayor desestabilización de la fase MgH2 (Ag y Ga) son los que producen la menor reducción en la entalpía de solución del hidrógeno, mientras que aquéllos que más favorecen la solubilidad del hidrógeno (Sc, Y) son los que forman los hidruros termodinámicamente más estables. A pesar de ello, Ag, Li, Ga, Al y Zn parecen proporcionar un efecto positivo tanto en la desestabilización del hidruro, como en proveer ambientes más favorables para la solubilidad del hidrógeno, por lo que podría esperarse obtener con su adición temperaturas más bajas de descomposición del hidruro y velocidades de hidruración/deshidruración más rápidas. Experimentalmente, polvos elementales de Mg y Mg-M (M = Al, Ag, Zn, LiH, Fe e Y) se sometieron a aleado mecánico (AM) a fin de obtener aleaciones binarias Mg-M (M = Al, Ag, Zn, LiH, Fe e Y). Buscando efectos sinérgicos entre diferentes combinaciones de Mg y metales M, también se prepararon aleaciones ternarias Mg-M-Fe (M = Ag y Zn) y cuaternarias (Mg-Zn-Ag-Fe). Los productos de la molienda se caracterizaron mediante las técnicas de DRX, MEB/microanálisis químico y MET. El análisis cuantitativo de fases se realizó por el método de Rietveld. En todos los casos, los productos del AM presentaron tamaños de cristalito inferiores a 50 nm, después de 216 ks de molienda. Las fases resultantes del AM dependieron del metal M agregado, obteniéndose, para las aleaciones binarias Mg-M, aparentemente soluciones sólidas de M en Mg (M = Zn, Al y Ag), a juzgar por la presencia de picos de Bragg exclusivamente de Mg en los difractogramas correspondientes. Además de las reflexiones de Mg, se encontraron picos de hidruros de itrio y óxido de magnesio en el caso de la aleación Mg-Y. En el caso de la aleación Mg-Li (el Li agregado en forma de LiH), además de los picos de Mg, se encontraron reflexiones de MgO y de Fe, éste último debido a la contaminación por los medios de molienda. Los contenidos de Fe en esta aleación variaron entre 3-6 %p. El proceso de hidruración se efectuó mediante la exposición de los polvos molidos a una atmósfera de hidrógeno gaseoso en un microreactor a presión. Muestras de los polvos molidos se hidruraron durante 10 y 30 minutos a 200 °C/0.5 MPa 𝑃𝐻2 y 300 °C/3 MPa 𝑃𝐻2, sin tratamientos previos de activación. Los productos hidrurados se caracterizaron por las técnicas de DRX, MEB/microanálisis y MET. Se efectuó, adicionalmente, una cuantificación de fases por el método de Rietveld. Los contenidos máximos de la fase MgH2 se dieron en polvos molidos de Mg y de las aleaciones binarias Mg-Li y Mg-Fe, a saber, 62, 73 y 81 %p (correspondientes a 4.8, 5.6 y 6.2 %p de hidrógeno almacenado) al hidrurar a 300 °C/3 MPa 𝑃𝐻2durante 30 minutos. Ninguna de las muestras ternarias y cuaternarias base Mg-Fe estudiadas presentó contenidos mayores de MgH2 que la binaria Mg-Fe. Muestras de aleaciones seleccionadas (Mg, Mg-Li y Mg-Fe) se sometieron a reacciones de hidruración/deshidruración in situ utilizando un equipo automatizado a fin de obtener información cinética (%p H almacenado o liberado vs. tiempo) y termodinámica (isotermas presión-composición). Las velocidades más elevadas se determinaron para las muestras Mg-Li, Mg-Fe y Mg, a saber, para la hidruración (350 °C/3 MPa 𝑃𝐻2) 0.25, 0.15 y 0.18 %p min-1, respectivamente; mientras que los valores correspondientes a la deshidruración (350 °C/0.01 MPa 𝑃𝐻2) fueron 0.14, 0.09 y 0.09 %p min-1, respectivamente. Aparentemente, la adición de Fe desestabiliza al hidruro MgH2, a juzgar por la elevación de los valores de la presión de equilibrio (liberación) estimados a partir de las curvas PCT correspondientes, a saber, 0.38, 0.22 y 0.07 MPa para las muestras Mg-Li, Mg-Fe y Mg, respectivamente. En forma global, la aleación Mg-Li (que además contiene Fe por contaminación) fue la que mostró las mejores propiedades de almacenamiento/liberación de hidrógeno. La presencia combinada de Li y Fe aparentemente es la responsable de las aceleradas cinéticas de hidruración/deshidruración de este material. Estudios experimentales y de simulación más detallados son necesarios para esclarecer los mecanismos catalíticos, tanto de Li como de Fe, en Mg.
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/16006
Aparece en las colecciones: Mediateca

Ficheros en este ítem:
Fichero Descripción Tamaño Formato  
ALEACIONES BASE MG PARA EL ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO PRODUCIDAS POR ALEADO MECANICO.pdfAleaciones base Mg para el almacenamiento de hidrógeno producidas por aleado mecánico11.28 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Los ítems de DSpace están protegidos por copyright, con todos los derechos reservados, a menos que se indique lo contrario.