EN Microstructure, physical and electrochemical properties of nanocrystalline TiNi and Ti2Ni type materials

polish

PL Celem pracy było zbadanie wpływu modyfikacji chemicznej oraz metody otrzymywania nanokrystalicznych stopów TiNi oraz Ti2Ni na ich strukturę, morfologię, odporność korozyjną, właściwości elektrochemiczne oraz sorpcyjne wodoru. Materiały te wytwarzane były metodą mechanicznej syntezy połączonej z obróbką cieplną. Mechaniczna synteza umożliwia produkcję materiałów nanokrystalicznych i jest alternatywą dla konwencjonalnych metod wytwarzania materiałów mikrokrystalicznych. Chemiczna modyfikacja stopów typu Ti-Ni polegała na częściowym zastąpieniu tytanu cyrkonem i/lub na dodatku do składu stopu palladu i/lub srebra i/lub wielościennych nanorurek węglowych (ang. MWCNTs). Ogólny wzór chemiczny badanych materiałów to Ti1-xZrxNi+A oraz Ti2-xZrxNi+A, gdzie A jest Pd i/lub Ag i/lub MWCNTs. Wytwarzane i badane w przeszłości materiały typu Ti-Ni, które otrzymywane były metodami konwencjonalnymi (materiały o mikrometrycznych rozmiarach ziaren) nie spełniły stawianych im wymagań dotyczących właściwości elektrochemicznych i sorpcyjnych wodoru. Przykładowo teoretyczna pojemność wyładowania stopu Ti2Ni wynosi około 500 mAh/g ,ale ze względu na tworzenie się nieodwracalnej fazy wodorkowej oraz utlenianie się materiału, wartość eksperymentalna nie wynosi więcej niż 200 mAh/g. Materiały te charakteryzowały się także niskim stopniem desorpcji wodoru w temperaturze pokojowej. Stosowana w pracy kombinacja metody produkcji i chemicznej modyfikacji znacząco poprawia właściwości elektrochemiczne i sorpcyjne wodoru materiałów typu Ti-Ni. Do najistotniejszych osiągnięć pracy doktorskiej należy zaliczyć opracowanie ekonomicznej technologii otrzymywania chemicznie modyfikowanych nanomateriałów typu Ti-Ni. Ponadto jednym z otrzymanych materiałów był nanokompozyt w którego skład wchodził modyfikowany palladem stop Ti2Ni oraz MWCNTs, który charakteryzował się wysoką pojemnością wyładowania (301 mAh/g) w 6M KOH - jedną z większych wśród wszystkich znanych materiałów typu Ti2Ni. Co więcej, należący do tej samej grupy materiałów, stop Ti2Ni modyfikowany palladem charakteryzował się wysoką pojemnością magazynowania wodoru (2,1 % wag.), która nie została uzyskana przez żadną inną grupę badawczą. Poprawa właściwości jest efektem między innymi zmiany składu chemicznego, redukcji rozmiaru ziaren, modyfikacji mikrostruktury, lepszych właściwości antykorozyjnych, tworzenia nowych czystych powierzchni oraz kanałów do transportu wodoru. Przedstawione w pracy wyniki wykazały, że zastosowanie mechanicznej syntezy jako metody produkcji chemicznie zmodyfikowanych stopów typu Ti-Ni pozwala na uzyskanie nowych materiałów o potencjalnym zastosowaniu zarówno w nowoczesnych ogniwach typu Ni-MHx jak i przy magazynowaniu wodoru.

EN The aim of this study was to investigate the effect of chemical modification and method of preparation of nanocrystalline TiNi and Ti2Ni alloys, on their structure, morphology, corrosion resistance, electrochemical and hydrogen sorption properties. These materials were produced by mechanical alloying combined with heat treatment. Mechanical alloying method allows the production of nanocrystalline materials, and is an alternative to conventional methods of preparation of microcrystalline materials. The chemical modification of Ti-Ni alloys was based on partial replacement of titanium by zirconium and/or additive of palladium and/or silver and/or multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs). The general chemical formula of studied materials was Ti1-xZrxNi+A and Ti2-xZrxNi+A, where A is a Pd and/or Ag and/or MWCNTs. In the past, most studies concerned Ti-Ni type materials prepared by conventional methods (materials with micrometric size of grains), that did not comply the electrochemical and hydrogen sorption hopes pinned on them. For example the Ti2Ni alloy has a high theoretical capacity above 500 mAh/g, but due to the formation of the irreversible hydride phase and subsequent oxidation, experimental maximum capacity was less than 200 mAh/g. Moreover, they also couldn’t desorb hydrogen in room temperature. A combination of production method and chemical modification used in this work, significantly improves the electrochemical and hydrogen sorption properties of studied materials. The most important achievements of the doctoral thesis include the development of energy-saving technology of chemically modified Ti-Ni nanomaterials production. Moreover, one of the obtained materials was nanocomposite which included Ti2Ni alloy modified by Pd and MWCNTs, which was characterized by high discharge capacity (301 mAh / g) in 6M KOH – one of the highest among all known Ti2Ni materials. Furthermore, Ti2Ni alloy modified by palladium has a high hydrogen storage capacity (2.1 wt.%), which has not been achieved by any other research group. Properties improvements result from changes in the chemical composition, particle size reduction, microstructure modification, better anti-corrosion properties, created new clean surfaces and channels for transporting of hydrogen. The work results showed that the use of mechanical alloying as the production method of chemically modified Ti-Ni alloys, allows to obtain new materials with potential application in Ni-MHx rechargeable batteries and hydrogen storage systems.

80

nanotechnology

materials engineering

DrOIN 1744

to201680851

no permission to download file

library

Tomasz Brylewski

Kraków, Polska

05.01.2016

polish

no permission to download file

library

Maria Sozańska

Katowice, Polska

15.01.2016

polish

no permission to download file

library

dissertation

Poznań, Polska

19.02.2016

Rada Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania

doktor nauk technicznych w dyscyplinie: inżynieria materiałowa, w specjalności: materiały nanokrystaliczne, energetyka wodorowa