СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ГИДРИДА Российский патент 2024 года по МПК C01B6/06 C01F7/00 B01J19/12 

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано для получения стехиометрического алюминия гидрида, который находит применение в качестве энергетического компонента топливных элементов, твердых ракетных топлив или аккумуляторов водорода [C01B6/00, C01F7/00, C23C4/00, C23C14/00].

Из уровня техники известен СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ГИДРИДА [KR101276172 (B1), ОПУБЛ. 05.10.2011], включает объединение соединения формулы (R20)yM с алюминием, водородом и металлическим катализатором, выбранным из группы, состоящей из титана, циркония, гафния, ниобия, ванадия, тантала и железа; где катализатор присутствует на уровне по меньшей мере 200 частей на миллион в расчете на массу алюминия.

Недостатком данного решения, является протекание конкурирующих реакций, которые могут привести к нестабильному образованию алюминия гидрида и, следовательно, к образованию конечного продукта, непригодного для крупномасштабного коммерческого производства для топливных элементов в автомобильной промышленности.

Также известен ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ СЛОЖНЫХ ГИДРИДОВ [WO2009054874 (A2), ОПУБЛ. 30.04.2009], включающий подачу анода, выбранного из материалов палладия, титана, циркония, алюминия, магния, кальция или гидридообразующих металлов; поставку катода, выбранного из материалов платины или гидрида металла; помещение указанного анода и указанного катода в электролитический раствор, содержащий NaAIH4, причем указанный NaAIH4 образуется в результате прямого гидрирования алюминия, причем указанный алюминий извлекается из дегидрированного AIH3; и пропускают ток через электрохимическую ячейку, тем самым образуя AIH3.

Недостатком данного решения является то, что образуются неиспользованные или нежелательные побочные продукты, что приводит к сложности производства стехиометрического алюминия гидрида.

Наиболее близким по технической сущности является ПРОИЗВОДСТВО ГИДРИДА АЛЮМИНИЯ [US9327974B1 (A), ОПУБЛ. 2016-05-03], включающий в себя катализирующий алюминий для усиления реакции алюминия с водородом, при этом катализ включает соединение количества алюминия с количеством галлия с образованием эвтектической смеси, состоящей из алюминия и галлия; и применение к эвтектической смеси любого давления, тепла, электрической энергии и их комбинаций для активации алюминия в эвтектической смеси при взаимодействии с водородом; и воздействие на катализируемый алюминий газообразного водорода с образованием гидрида алюминия, подача заданного количества газообразного водорода под давлением менее 15 000 фунтов на квадратный дюйм; и повышение температуры соединения алюминия и галлия до величины менее 150°С, с тем чтобы образовалось повышенное количество гидрида алюминия. Дополнительно включающий нанесение тепла на эфирный алан для извлечения хотя бы части растворителя; и выделение гидрида алюминия из эфирированного алана термической обработкой.

Основной технической проблемой прототипа, содержащего способ получения алюминия гидрида в неводном среде, является недостаточная стабилизация продукта синтеза, что приводит к недостаточной выходу стехиометрического алюминия гидрида, а также прототип не предоставляет достаточно гибких возможностей для синтеза продукта в промышленных масштабах.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации технологии синтеза в сторону увеличения выхода стехиометрического алюминия гидрида, увеличении стабилизации продукта синтеза, также в синтезе продукта на приемлемый носитель в зависимости от решаемой задачи и в упрощении производства стехиометрического алюминия гидрида.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения алюминия гидрида содержит линейный электродуговой испаритель, характеризуется тем, что:

- первоначально производят удаление форвакуумным насосом до давления 1-3 Па основной части воздуха из вакуумной камеры;

- одновременно с откачкой воздуха производят перемотку рулонов органической пленки;

- далее производят прокачку камеры аргоном при давлении 50 Па в течение 3-5 минут;

- затем подают аргон через трубки подачи аргона;

- подают водород через трубки подачи водорода и доводят давление до 300 Па;

- производят начальный поджиг дуги на алюминиевом катоде путем подачи высоковольтного напряжения;

- с помощью СВЧ-магнетрона создают высокочастотное электромагнитное поле, которое индуцирует плазменный разряд в газовой смеси;

- далее в условиях неравновесной плазмы происходят реакции между ионами алюминия и ионами водорода, что приводит к образованию алюминия гидрида.

В частности, дополнительно осуществляют охлаждение рулонов органической пленки с помощью экранов охлаждения.

В частности, рулоны органической пленки выполнены из лавсана.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена схема вакуумной камеры в продольном разрезе.

На фиг. 2 представлена схема вакуумной камеры в поперечном разрезе.

На фиг. 3 представлена схема возможного выполнения вакуумной камеры со сборником синтезированного материала.

На фигуре обозначено: 1 - трубка подачи водорода; 2 - трубка подачи аргона; 3 - катод; 4 - экран охлаждения; 5 - СВЧ-магнетрон; 6 - анод; 7, 8 - рулон органической пленки, 9 - сборник.

Способ получения алюминия гидрида осуществляется методом дугового испарения алюминия, используя линейный электродуговой испаритель.

Способ получение алюминия гидрида предполагает использование вакуумной камеры с цилиндрическим охлаждаемым катодом (3), изготовленного из чистого алюминия (99,9%), устройства поджига вакуумной дуги, дополнительные аноды (6), узел перемотки из рулона органической пленки (7, 8), при этом лавсановая пленка 3 мкм толщиной проходит предварительное тиснение для обеспечения развитой поверхности, трубки подачи аргона (2) и трубки подачи водорода (1), экранов охлаждения (4), встроенных через вакуумные вводы четырех СВЧ-магнетронов (5). В одном из примеров использования данного способа вместо лавсановой пленки используются экраны охлаждения с последующим сбросом продукта синтеза в герметичный сборник (9) (фиг. 3). Экраны охлаждения (4) предназначены для предотвращения разложения алюминия гидрида и рулонов органической пленки (7,8) (Тплавл. ~150 град.).

Способ получения алюминия гидрида характеризуется тем, что первоначально производится удаление форвакуумным насосом до давления 1-3 Па основной части воздуха из вакуумной камеры. Насос создает разрежение внутри камеры, что позволяет откачать молекулы газов из вакуумной камеры и осуществить первичную очистку камеры от примесей. При этом одновременно с откачкой воздуха происходит перемотка рулонов органической пленки (7, 8), чтобы обеспечить дегазацию камеры.

Далее производят прокачку камеры аргоном при давлении 50 Па в течение 3-5 минут. Это обеспечивает удаление остаточной атмосферы, которая осталась после откачки камеры. Прокачка аргоном позволяет удалить остаточные газы путем захвата их молекул потоком аргона. Затем производят подачу аргона через трубки подачи аргона (2), подачу водорода через трубки подачи водорода (1) и доведение давления до 300 Па. При этом осуществляют раздельную подачу газов, чтобы максимальное количество водорода реагировало на подложке - носителе продукта синтеза - алюминия гидрида, а аргон максимально работал вблизи катода (3) как плазмообразующий газ.

Далее происходит процесс осаждения-синтеза алюминия гидрида при включенной перемотке рулонов органической пленки (7, 8). Для этого путем высоковольтного (от 500 В) напряжения происходит начальный поджиг дуги на алюминиевом катоде. При наличии устройства обратного хода дуги достаточно однократно поджечь дугу.

СВЧ-магнетрон (5) создает высокочастотное электромагнитное поле, которое индуцирует плазменный разряд в газовой смеси, ионизируя молекулы водорода и создавая обедненную плазму с высокой концентрацией ионов водорода. В результате в условиях неравновесной плазмы происходят реакции между ионами алюминия и ионами водорода, что приводит к образованию алюминия гидрида.

Пример использования способа получения алюминия гидрида.

Способ получения алюминия гидрида осуществляется методом дугового испарения алюминия. Осаждение алюминия гидрида проводилось в течение 5 минут в смеси газов аргона (80%) и водорода (20%) при длине катода 50 см, диаметре катода 16 мм. Проведен ряд экспериментов получения алюминия гидрида при различных параметрах использования заявленного способа.

Таблица 1

Параметры получения стехиометрического алюминия гидрида

Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Ток дуги (А) 40 65 65 65 Парциальное давление газов (H2/Ar Па) 250/50 250/50 250/50 250/50 Давление (Па) 10 10 50 260 Удельное сопротивление (ом*см) 10 10 5 ∞

В ходе проведения экспериментов удалось получить алюминия гидрид рыхлой структуры серо-коричневого цвета.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации технологии синтеза в сторону увеличения выхода стехиометрического алюминия гидрида, увеличении стабилизации продукта синтеза, также в синтезе продукта на приемлемый носитель в зависимости от решаемой задачи и в упрощении производства стехиометрического алюминия гидрида.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения алюминия гидрида содержит линейный электродуговой испаритель, характеризуется тем, что:

- первоначально производят удаление форвакуумным насосом до давления 1-3 Па основной части воздуха из вакуумной камеры;

- одновременно с откачкой воздуха производят перемотку рулонов органической пленки;

- далее производят прокачку камеры аргоном при давлении 50 Па в течение 3-5 минут;

- затем подают аргон через трубки подачи аргона;

- подают водород через трубки подачи водорода и доводят давление до 300 Па;

- производят начальный поджиг дуги на алюминиевом катоде путем подачи высоковольтного напряжения;

- с помощью СВЧ-магнетрона создают высокочастотное электромагнитное поле, которое индуцирует плазменный разряд в газовой смеси;

- далее в условиях неравновесной плазмы происходят реакции между ионами алюминия и ионами водорода, что приводит к образованию алюминия гидрида.

На основании этого провели ряд экспериментов по количественному определению продукта синтеза и стабильности (возможности сопротивления к повышенным температурам) полученного алюминия гидрида заявленным способом для получения алюминия гидрида в сравнении с прототипом и аналогами. Эксперименты показали, что заявленное изобретение обладает следующими показателями по отношению к аналогичным решениям (Таблица 2).

Таблица 2.

Сравнительная характеристика алюминия гидрида, полученного разными техническими решениями

Заявленный способ KR101276172 WO2009054874 US9327974B1 Выход алюминия гидрида (г) 3,90 2,82 3,00 3,08 Разложение алюминия гидрида при нагревании (t °С) 110 78 82 98

Таким образом, благодаря заявленному изобретению возможно оптимизировать технологию синтеза алюминия гидрида в сторону увеличения выхода стехиометрического алюминия гидрида примерно на 24%, увеличить стабилизацию продукта синтеза примерно на 22%, также возможен синтез алюминия гидрида на приемлемый носитель в зависимости от решаемой задачи и возможно упростить производство стехиометрического алюминия гидрида, что позволит использовать данный способ для промышленного производства алюминия гидрида.

Изобретение может быть использовано для получения гидрида алюминия, который находит применение в качестве энергетического компонента топливных элементов, твердых ракетных топлив и в аккумуляторах водорода. Способ получения алюминия гидрида включает использование линейного электродугового испарителя. Первоначально удаляют форвакуумным насосом до давления 1–3 Па основную часть воздуха из вакуумной камеры. Одновременно с откачкой воздуха осуществляют перемотку рулонов органической пленки. Далее производят прокачку камеры аргоном при давлении 50 Па в течение 3–5 мин. Затем подают аргон через трубки подачи аргона. Подают водород через трубки подачи водорода и доводят давление до 300 Па и осуществляют начальный поджиг дуги на алюминиевом катоде путем подачи высоковольтного напряжения. С помощью СВЧ-магнетрона создают высокочастотное электромагнитное поле, которое индуцирует плазменный разряд в газовой смеси. Далее в условиях неравновесной плазмы происходят реакции между ионами алюминия и ионами водорода, что приводит к образованию алюминия гидрида. Изобретение позволяет упростить производство стехиометрического алюминия гидрида, увеличить его выход, повысить стабилизацию продукта синтеза. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл., 1 пр.

1. Способ получения алюминия гидрида, включающий использование линейного электродугового испарителя, характеризующийся тем, что

- первоначально производят удаление форвакуумным насосом до давления 1–3 Па основной части воздуха из вакуумной камеры;

- одновременно с откачкой воздуха производят перемотку рулонов органической пленки;

- далее производят прокачку камеры аргоном при давлении 50 Па в течение 3–5 минут;

- затем подают аргон через трубки подачи аргона;

- подают водород через трубки подачи водорода и доводят давление до 300 Па;

- производят начальный поджиг дуги на алюминиевом катоде путем подачи высоковольтного напряжения;

- с помощью СВЧ-магнетрона создают высокочастотное электромагнитное поле, которое индуцирует плазменный разряд в газовой смеси;

- далее в условиях неравновесной плазмы происходят реакции между ионами алюминия и ионами водорода, что приводит к образованию алюминия гидрида.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют охлаждение рулонов органической пленки с помощью экранов охлаждения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что рулоны органической пленки выполнены из лавсана.