Absorption and storage of hydrogen in solids - NFPL218

• Title: Absorpce a skladování vodíku v pevných látkách
• Guaranteed by: Department of Low Temperature Physics (32-KFNT)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2023
• Semester: winter
• E-Credits: 6
• Hours per week, examination: winter s.:2/2, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Guarantor: prof. Mgr. Jakub Čížek, Ph.D.; RNDr. Petr Hruška, Ph.D.

Annotation

English

Basic physical principles of hydrogen absorption in solids, hydrides, physisorption, chemisorption, adsorption on surfaces, interstitial solid solution, hydrides, hydrogen capture in crystal lattice defects, surfactants, defectants. Methods of doping solids with hydrogen, measurement of hydrogen concentration, Sievert's law, thermodynamics of hydride formation. Defects created by hydrogen, hydrogen induced embrittlement. Hydrogen as a fuel and energy carrier, fuel cells, hydrogen storage methods, hydrogen technologies, perspective materials for hydrogen storage.

Last update: Chlan Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (30.04.2024)

Czech

Základní fyzikální principy absorpce vodíku v pevných látkách, hydridy, fyzisorpce, chemisorpce, adsorpce na površích, intersticiální tuhý roztok, hydridy, záchyt vodíku v defektech krystalické mřížky, surfaktanty, defectanty. Způsoby dopování pevných látek vodíkem, měření koncentrace vodíku, Sievertův zákon, termodynamika vzniku hydridů. Defekty vytvořené vodíkem, vodíkem indukované zkřehnutí. Vodík jako palivo a nosič energie, palivové články, způsoby skladování vodíku, vodíkové technologie, perspektivní materiály pro skladování vodíku.

Last update: Chlan Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (30.04.2024)

Aim of the course

English

The aim of the course is to gain basic knowledge of physical and chemical processes taking place during hydrogen absorption in solids. The student will also learn about hydrogen storage in solids and the use of hydrogen as a storable energy carrier.

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (19.04.2024)

Czech

Cílem předmětu je získat základní znalosti o fyzikálních a chemických procesech při absorpci vodíku v pevných látkách. Student se dále seznámí s problematikou skladování vodíku v pevných látkách a využití vodíku jako skladovatelného nosiče energie.

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (19.04.2024)

Course completion requirements

English

oral exam and credit

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (19.04.2024)

Czech

ústní zkouška a zápočet

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (19.04.2024)

Literature

English

G. Alefeld, J. Völkl (eds.), Hydrogen in Metals I, Basic Properties, Springer-Verlag, Berlin 1978

G. Alefeld, J. Völkl (eds.), Hydrogen in Metals II, Application-Oriented Properties, Springer-Verlag, Berlin 1978

A. Pundt, R. Kirchheim, Hydrogen in Metals, Microstructural Aspects, Annu. Rev. Mater. Res. 36 (2006) 555-608.

A. Züttel, A. Remhof, A. Borgschulte, O. Friedrichs, Hydrogen: the future energy carrier, Phil. Trans. R. Soc. A 368 (2010) 3329-3342.

D.J. Durbin, C. Malardier-Jugroot, Review of hydrogen storage techniques for on board vehicle applications, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 14595-14617.

J. Ren, N. M. Musyoka, H. W. Langmi, M. Mathe, S. Liao, Current research trends and perspectives on

materials-based hydrogen storage solutions: A critical review, Int. J. Hydrogen Energy 42 (2017) 289-311.

P. Modi, K.-F. Aguey-Zinsou, Room Temperature Metal Hydrides for Stationary and Heat Storage

Applications: A Review, Front. Energy Res. 9 (2021) 616115.

R.R. Shahi, A.K. Gupta, P. Kumari, Perspectives of high entropy alloys as hydrogen storage materials, Int. J. Hydrogen Energy 48 (2023) 21412-21428.

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (20.04.2024)

Teaching methods

English

lecture and laboratory work

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (19.04.2024)

Czech

přednáška a laboratorní práce

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (19.04.2024)

Requirements to the exam

English

• obtaining a credit is a condition for taking the exam

• active participation in laboratory work is a condition for obtaining credit

• the exam is oral, the scope of required knowledge corresponds to the syllabus of the lecture in the scope presented in the lecture

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (20.04.2024)

Czech

• podmínkou pro konání zkoušky je získání zápočtu

• podmínkou získání zápočtu je aktivní účast na laboratorních pracích

• zkouška je ústní, rozsah požadovaných znalostí odpovídá sylabu přednášky v rozsahu prezentovaném na přednášce

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (20.04.2024)

Syllabus

English

Hydrogen and its properties

• H2 molecule

• isotopes of hydrogen

• chemical reactions of hydrogen

Interaction of hydrogen with solids

• interstitial solid solution of hydrogen in solids

• Sievert's law

• metal-hydrogen phase diagram

• pressure-concentration isotherms

• Van’t Hoff plot

• chemisorption

• physisorption

• hydrogen adsorption on surfaces

• methods of hydrogen loading

• loading from the gas phase

• electrochemical charging

• methods of measurement of hydrogen concentration

• combustion elemental analyzer

• Sievert volumetric analyzer

• neutron activation analysis

• nuclear reaction analysis (NRA)

• secondary ion mass spectroscopy (SIMS)

• diffusion of hydrogen in solids

• nuclear magnetic resonance (NMR)

Hydrides

• types of interstitial sites in crystal lattice

• elastic deformation of the crystal lattice caused by hydrogen

• thermodynamics of hydride formation

• basic types of metal-hydrogen phase diagrams

• Pd-H system

• Nb-H system

• Y-H and Gd-H system

• complex hydrides

• methods of hydride characterization

• thermal analysis and thermogravimetry

• X-ray and neutron diffraction

• electron microscopy

• Mössbauer spectroscopy

Hydrogen interaction with lattice defects

• hydrogen trapping in vacancies

• hydrogen segregation on dislocations

• hydrogen trapping at grain boundaries

• thermodynamic concept (surfactants and defectants)

• defects created by hydrogen

• hydrogen induced vacancies

• emission of dislocations during hydride formation and decomposition

• hydrogen-induced embrittlement

• study of hydrogen interaction with defects

• thermal desorption spectroscopy

• positron annihilation

• muon spectroscopy

Hydrogen as a future fuel and energy carrier

• hydrogen cycle

• methods of hydrogen production

• hydrogen technologies

• fuel cells

• stationary and mobile hydrogen storage

• hydrogen storage technologies

• compressed hydrogen gas

• liquefied hydrogen

• solid hydrides

Prospective materials for hydrogen storage

• hydrides of intermetallic alloys AB, AB2, A2B, AB5

• Allanate salts of I and II groups

• tetrahydroborates

• metal-organic frameworks (MOF)

• hydrides of high entropy alloys

• nanocrystalline hydrides

Laboratory work

• measurement of hydrogen content in a solid sample using a combustion elemental analyzer

• volumetric measurement of hydrogen absorption and desorption kinetics and P-C isotherms

• thermal desorption analysis and thermogravimetry

• electrochemical doping with hydrogen, measurement of electrochemical potential

• study of hydrogen interaction with defects using positron annihilation

• analysis of fuel cell

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (20.04.2024)

Czech

Vodík a jeho vlastnosti

• molekula H2

• izotopy vodíku

• chemické reakce vodíku

Interakce vodíku s pevnými látkami

• intersticiální tuhý roztok vodíku v pevné látce

• Sievertův zákon

• fázový diagram kov-vodík

• izotermy tlak-koncentrace

• Van’t Hoffův graf

• chemisorpce

• fyzisorpce

• adsorpce vodíku na površích

• metody dopování pevných látek vodíkem

• dopování z plynné fáze

• elektrochemické dopování

• metody měření koncentrace vodíku

• spalovací elementární analyzátor

• Sievertův volumetrický analyzátor

• neutronová aktivační analýza

• jaderná reakční analýza (NRA)

• hmotnostní spektroskopie sekundárních iontů (SIMS)

• difúze vodíku v pevných látkách

• jaderná magnetická rezonance (NMR)

Hydridy

• typy intersticiálních poloh krystalické mřížky

• elastická deformace krystalické mřížky způsobená vodíkem

• termodynamika vzniku hydridů

• základní typy fázových diagramů kov-vodík

• systém Pd-H

• systém Nb-H

• systém Y-H a Gd-H

• komplexní hydridy

• metody charakterizace hydridů

• termická analýza a termogravimetrie

• rentgenová a neutronová difrakce

• elektronová mikroskopie

• Mössbauerova spektroskopie

Interakce vodíku s defekty krystalické mřížky

• záchyt vodíku ve vakancích

• segregace vodíku na dislokacích

• záchyt vodíku na hranicích zrn

• termodynamický koncept (surfaktanty a defectanty)

• defekty vytvořené vodíkem

• vodíkem indukované vakance

• emise dislokací při vzniku a rozpadu hydridů

• vodíkem indukované zkřehnutí

• metody studia interakce vodíku s defekty

• termální desorpční spektroskopie

• anihilace pozitronů

• mionová spektroskopie

Vodík jako palivo a nosič energie

• vodíkový cyklus

• možnosti výroby vodíku

• vodíkové technologie

• palivové články

• stacionární a mobilní skladování vodíku

• způsoby skladování vodíku

• stlačený plynný vodík

• kapalný vodík

• hydridy pevných látek

Perspektivní materiály pro skladování vodíku

• hydridy intermetalických slitin AB, AB2, A2B, AB5

• Soli alanátů skupiny I a II

• tetrahydroboráty

• kovově organické sítě (MOF = metal-organic frameworks)

• hydridy slitin s vysokou entropií

• nanokrystalické hydridy

Laboratorní práce

• měření obsahu vodíku v pevné látce pomocí spalovacího elementárního analyzátoru

• volumetrické měření kinetiky absorpce a desorpce vodíku a P-C izoterm

• termická desorpční analýza a termogravimetrie

• elektrochemické dopování vodíkem, měření elektrochemického potenciálu

• studium interakce vodíku s defekty pomocí anihilace pozitronů

• charakterizace palivového článku

Last update: Čížek Jakub, prof. Mgr., Ph.D. (20.04.2024)