Способ приготовления гидрида ванадия

 

Изобретение относится к химии гидридов металла и может быть использовано для длительного хранения водорода в химически связанном состоянии. Результат изобретения: упрощение технологии за счет снижения температур процесса и параметров вакуума. Ванадий нагревают до 593 - 793 К. Поддерживают давление не выше 1,3 Па. Выдерживают ванадий при этих температурах и давлении. Затем подают изотоп водорода при давлении (3,5-10)х10⁵ Па. Получают гидрид ванадия, содержащий 367-378 см³/г водорода. 1 табл.

Изобретение относится к области химии гидридов металлов, в частности к способам их получения прямым методом взаимодействия с водородом, и может быть использовано, например, для длительного хранения водорода в химически связанном состоянии.

В области химии гидридов металлов известен способ получения гидрида ванадия, заключающийся в его нагреве при поддерживании вакуума 1,3•10^-4 Па до температуру ≈ 970 K, подаче к ванадию после его охлаждения до температурят 670 K изотопов водорода под давлением ≈ 10⁵ Па, измельчении полученного вещества, затем вновь нагрева до 970 K при давлении 1,3•10^-4 Па, подаче к образцу изотопов водорода при ≈10⁵ Па и комнатной температуре, гомогенизирующем отжиге полученного вещества при 573 K в течение 2-5 ч /1/. Известный способ включает в себя проведение большого числа последовательных операций. Кроме того, он сложен из-за необходимости проведения двукратного нагрева ванадия до сравнительно высокой температуры и поддерживания при этом высокого вакуума в системе.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения гидрида ванадия, использованный в работе /2/ и заключающийся в его термической обработке в течение 1-1,5 ч при ≈ 1,3•10^-2 Па при ≈ 1100 K, охлаждении образца до 673-773 K, подаче к образцу при этой температуре изотопов водорода и последующего медленного охлаждения образца со скоростью 1,5-2 град./мин, до комнатной температуры /3/.

Для применения известного способа также требуется нагрев образца до достаточно высоких температур в условиях высокого вакуума. Способ отличается сложностью, т.к. требует охлаждения образца с фиксированной скоростью после подачи к нему изотопов водорода.

Задачей, решаемой с помощью настоящего изобретения, является упрощение технологии приготовления гидрида ванадия за счет снижения используемых при приготовлении гидрида ванадия температур и требуемых для приготовления параметров вакуума.

При использовании настоящего изобретения достигаются следующие технические результаты: - используемая в процессе приготовления гидрида ванадия температура снижается на 180-400 K; - остаточное давление в установке, при котором проводится термическая обработка образца, повышается в 100 раз (требования к вакууму снижаются в 100 раз); - упрощается технология приготовления гидрида ванадия за счет сокращения числа операций с контролируемыми параметрами.

- достигается удельное содержание изотопов водорода в ванадии 367-378 см/г.

Указанная задача решается тем, что в известном способе приготовления гидрида ванадия, заключающемся в термической обработке ванадия в вакууме с последующей подачей к нему изотопов водорода, согласно изобретению термическую обработку проводят при 593 - 793 K, в процессе нагрева до температуры термической обработки и в процессе термической обработки давление в установке поддерживают не выше 1,3 Па, а подачу изотопов водорода и процесс взаимодействия ванадия с ним производят при (3-10)•10⁵ Па.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от прототипа тем, что термическую обработку ванадия перед подачей к нему изотопов водорода проводят при 593 - 793 K, в процессе нагрева до температуры термической обработки и во время ее давление остаточных газов в установке поддерживают не выше 1,3 Па, а подачу изотопов водорода и процесс взаимодействия ванадия с ним производят при (3-10)•10⁵ Па. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения " новизна ". При анализе известных технических решений не выявлено способов, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого способа, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию " изобретательский уровень ".

Минимальная температура термической обработки ванадия перед подачей изотопов водорода выбрана исходя из того, что при более низких температурах обработки наблюдалось снижение удельного количества поглощенного ванадием водорода. При термической обработке ванадия перед подачей изотопов водорода в температурном диапазоне 593 - 1053 K экспериментальным путем не было выявлено зависимости удельного количества поглощенных изотопов водорода от температуры обработки (см. опыты 2, 4, 8 в табл.).

Максимальная температура обработки, равная 793 K, выбрана исходя из полученных методами термического анализа экспериментальных данных о том, что этой температуры достаточно для удаления газообразных примесей, находящихся в исходном ванадии. Удаление газообразных примесей важно при использовании полученного гидрида ванадия в качестве рабочего вещества в источниках изотопов водорода, где могут быть жесткие требования к чистоте генерируемого источником газа. Таким образом, при термической обработке ванадия в температурном диапазоне 593 - 793 К перед подачей к нему изотопов водорода можно достичь максимального удельного количества поглощенных изотопов водорода и полного удаления газообразных примесей из исходного ванадия.

Максимальное давление остаточных газов в установке, равное 1,3 Па, найдено экспериментальным путем. При более высоком давлении остаточных газов в установке в процессе термической обработки наблюдается снижение удельного количества поглощенных ванадием впоследствии изотопов водорода.

В ходе работы не было замечено влияние температуры, при которой к образцу подавался водород, на конечное количество поглощенного образцом газа. Поэтому водород подавался в температурном диапазоне, начиная с температуры термической обработки образца и до комнатной температуры.

Предлагаемый способ приготовления гидрида ванадия реализован следующим образом.

Пример 1. Образец ванадия марки ВЭЛ-2 массой 20 г был помещен в вакуумную установку, нагрет до 673 K и выдержан в течение 1 ч при этой температуре. Давление газа в установке в процессе нагрева и температурной обработки образца поддерживалось равным 0,13 Па. После остывания образца до комнатной температуры к нему был дан водород при 9,5•10⁵ Па. В результате был получен гидрид ванадия с содержанием водорода 378 см³/г.

Пример 2. Образец ванадия марки ВЭЛ-2 массой 20 г был помещен в вакуумную установку, нагрет до 593 K и выдержан в течение 1 ч при этой температуре. Давление газа в установке в процессе нагрева и температурной обработки образца поддерживалось равным 1,3 Па. После завершения термической обработки к образцу сразу был дан водород при 9,5•10⁵ Па, после чего образец остывал в среде водорода до комнатной температуры. В результате был получен гидрид ванадия с содержанием водорода 370 см³/г.

Примеры реализации предлагаемого способа сведены в таблицу. Во всех приведенных примерах масса образца была равна 20 г.

Как видно из таблицы, термическая обработка ванадия при температуре ниже 593 K приводит к снижению удельного количества поглощенного образцом газа (опыт 3). Такой же эффект вызывает и термическая обработка ванадия в условиях, когда давление остаточных газов в установке превышает 1,3 Па (опыт 10). Снижение давления подаваемого к образцу газа ниже, чем 3,5•10⁵ Па, также вызывает ухудшение конечного результата (опыты 11-12).

Использование предлагаемого способа приготовления гидрида ванадия обеспечивает по сравнению с существующим способом следующие преимущества: 1. Температура, требующаяся для приготовления гидрида ванадия, не превышает 793 K. Это не создает сложностей при выборе конструкционных материалов для реакционного сосуда, в котором приготавливается гидрид ванадия. Кроме того, пониженная по сравнению с аналогами температура термической обработки ванадия перед подачей к нему изотопов водорода позволяет снизить потребление энергии на проведение термической обработки.

2. Снижается требование к параметрам вакуума при проведении термической обработки. Это позволяет использовать при приготовлении гидрида ванадия более широкий круг установок, делает процесс более технологичным.

3. Использование предлагаемого способа упрощает технологию получения гидрида ванадия за счет сокращения числа операций способа.

Литература 1. The Journal of Physical Chemistry v. 68, N 8, 1964. p.p. 2197- 2200.

2. Физика твердого тела, том 13, N 9, 1971, с. 2587-2594 (прототип).

3. Физика твердого тела, том 10, N 5, 1968, с. 1355-1363.

Формула изобретения

Способ приготовления гидрида ванадия, заключающийся в термической обработке ванадия в вакууме с последующей подачей к нему изотопов водорода, отличающийся тем, что термическую обработку проводят при 593 - 793 К, при нагреве ванадия до температуры термической обработки и в процессе термической обработки поддерживают давление не выше 1,3 Па, а подачу изотопов водорода осуществляют при (3,5-10)х10⁵ Па.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2