Synthesis and electrochemical hydrogenation of RxTb2-xNi17 and Tb2Ni17-yMy phases (R = Y, Zr, La; M = Li, Mg)

В. Кордан; В. Нитка; І. Тарасюк; К. Клузяк; В. Павлюк

doi:10.15330/pcss.25.2.325-332

Автор(и)

В. Кордан Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
В. Нитка Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
І. Тарасюк Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
К. Клузяк Гуманітарно-природничий університет імені Яна Длугоша, Ченстохова, Польща
В. Павлюк Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна; Гуманітарно-природничий університет імені Яна Длугоша, Ченстохова, Польща

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.2.325-332

Ключові слова:

рентгенівська дифракція порошку, скануюча електронна мікроскопія, структурний тип Th2Ni17, електрохімічні властивості, нікель металогідридний акумулятор

Анотація

Сплави з області існування твердих розчинів R_xTb_2-_xNi₁₇ та and Tb₂Ni_17-_yM_y були синтезовані методом електродугового сплавляння з подальшим відпалом за 400 ºС. Кількісний та якісний склад сплавів та порошків електродних матеріалів був визначений скануючою електронною мікроскопією та енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією. Співвідношення Tb/R/Ni та Tb/Ni/Mg у зразках також було підтверджено рентген-флуоресцентною спектроскопією. Параметри комірок для тернарних фаз R_xTb_2-_xNi₁₇ (x = 0,5) становлять: a = 8,2987(9) Å, c = 8,0206(8) Å, V = 478,37(9) Å³ для R = Zr, a = 8,3161(6) Å, c = 8,0482(8) Å, V = 482,03(6) Å³ для R = Y, a = 8,3690(6) Å, c = 8,0560(7), V = 488,66(6) Å³ для R = La. Атоми Tb частково заміщуються атомами Y, Zr та La через близьке значення атомних радіусів. За умов експерименту ємнісний параметр становить 1,81 H/ф.о. для Zr-вмісного електрода, 2,29 H/ф.о. для Y-вмісного електрода та 2,31 H/ф.о. для La-вмісного електрода. У випадку одночасного заміщення електродів Li та Mg ми простежували вміст гідрогену більший за 2,5 H/ф.о. Внаслідок гідрування параметри комірок Zr- і La-вмісних фаз ізотропно збільшуються. Синтезовані гідриди можна інтерпретувати як надструктури з типом Tb₂Mn₁₇C_2,5 (заповнений тип Th₂Ni₁₇). Корозійна стійкість електродів у лужному середовищі електроліту була досліджена методами рентгенофазового аналізу, скануючої електронної мікроскопії, енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії, циклічної вольтамперометрії та електрохімічної імпедансної спектроскопії. Електрод на основі Y_0,5Tb_1,5Ni₁₇ демонструє потенціал корозії -0.540 В, електроди зі складом Zr_0,5Tb_1,5Ni₁₇ та La_0,5Tb_1,5Ni₁₇ характеризуються потенціалом корозії -0.413 В та -0.405 В, відповідно. Електроди, що містять одночасно Li- та Mg- демонструють потенціал корозії -0.410 В (Tb₂Ni_16.4Li_0.2Mg_0.4) та -0.550 В (Tb₂Ni_15.6Li_0.6Mg_0.8).

Посилання

J.-M. Joubert, M. Latroche, R. Černý, R. C. Bowman, A. Percheron-Guégan, K. Yvon, Crystallographic study of LaNi5-xSnx (0.2 ≤ x ≤ 0.5) compounds and their hydrides, J. Alloys. Compd., 293–295, 124 (1999); https://doi.org/10.1016/S0925-8388(99)00311-4.

F. Meli, A. Zuettel, L. Schlapbach, Effect of silicon on the properties of AB5-Based alloys for battery electrode application, Z. Phys. Chem., 183(1–2), 371 (1994); https://doi.org/10.1524/zpch.1994.183.Part_1_2.371.

I. Stetskiv, V. Kordan, I. Tarasiuk, V. Pavlyuk, Synthesis, crystal structure and physical properties of the TbCo4.5SixLi0.5-x solid solution, Physics and Chemistry of Solid State, 22(3), 577 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.3.577-584.

B. Rożdżyńska-Kiełbik, I. Stetskiv, V. Pavlyuk, A. Stetskiv, LaNi4.6Zn0.4-xLix (x ≤ 0.2) solid solution phases due to Li-doping, Solid State Sci., 113, 106552 (2021); https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2021.106552.

H. H. Van Mal, K. H. J. Buschow, A. R. Miedema, Hydrogen absorption in LaNi5 and related compounds: Experimental observations and their explanation, J. Less. Common. Met., 35(1), 65 (1974); https://doi.org/10.1016/0022-5088(74)90146-5.

W. Zhou, Zh. Ma, Ch. Wu, D. Zhu, L. Huang, Yu. Chen, The mechanism of suppressing capacity degradation of high-Al AB5-type hydrogen storage alloys at 60 °C, Int. J. Hydrog. Energy, 41, 1801 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.10.070.

F. Meli, A. Zuettel, L. Schlapbach, Surface and bulk properties of LaNi5-xSix alloys from the view point of battery applications, J. Alloys. Compd., 190(1), 17 (1992); https://doi.org/10.1016/0925-8388(92)90167-8.

N. O. Chorna, V. M. Kordan, A. M. Mykhailevych, O. Ya. Zelinska, A. V. Zelinskiy, K. Kluziak, R. Ya. Serkiz, V. V. Pavlyuk, Electrochemical hydrogenation, lithiation and sodiation of the GdFe2–xMx and GdMn2-xMx intermetallics, Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii, 2, 139 (2021); https://doi.org/10.32434/0321-4095-2021-135-2-139-149.

Yu. Liu, H. Yuan, M. Guo, M. Jiang, Effect of Y element on cyclic stability of A2B7 -type La–Y–Ni-based hydrogen storage alloy, Int. J. Hydrog. Energy, 44, 22064 (2019); http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.06.081.

L. Wang, X. Zhang, Sh. Zhou, J. Xu, H. Yan, Qu. Luo, Qi. Li, Effect of Al content on the structural and electrochemical properties of A2B7 type La–Y–Ni based hydrogen storage alloy, Int. J. Hydrog. Energy, 45, 16677 (2020); http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.136.

J. Liu, Sh. Zhu, H. Cheng, Zh. Zheng, Zh. Zhu, K. Yan, Sh. Han, Enhanced cycling stability and high rate discharge ability of A2B7-type La–Mg–Ni-based alloys by in-situ formed (La,Mg)5Ni19 superlattice phase, J. Alloys Compd., 777, 1087 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.094.

V. Nytka, V. Kordan, A. Stetskiv, V. Pavlyuk, Tb2-xNdxZn17-yNiy (x = 0.5, y = 4.83): a new intermetallic with a maximum disordered structure and its hydrogen storage properties, Acta Cryst., C79, 257 (2023); https://doi.org/10.1107/S2053229623004369.

V. Pavlyuk, W. Ciesielski, N. Pavlyuk, D. Kulawik, M. Szyrej, B. Rozdzynska-Kielbik, V. Kordan, Electrochemical hydrogenation of Mg76Li12Al12 solid solution phase, Ionics, 25(6), 2701 (2019); https://doi.org/10.1007/s11581-018-2743-8.

V. Pavlyuk, W. Ciesielski, N. Pavlyuk, D. Kulawik, G. Kowalczyk, A. Balińska, M. Szyrej, B. Rozdzynska-Kielbik, A. Folentarska, V. Kordan, Hydrogenation and structural properties of

Mg100-2xLixAlx (x=12) limited solid solution, Mater. Chem. Phys., 223, 503 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.11.007.

K. Dutta, O. N. Srivastava, Synthesis, structural characterization and hydrogenation behaviour of the new hydrogen storage composite alloy La2Mg17-x wt% LaNi5, J. Mater. Sci., 28, 3457 (1993), https://doi.org/10.1007/BF01159822.

V. Kordan, V. Nytka, I. Tarasiuk, O. Zelinska, V. Pavlyuk, Synthesis, crystal structure, and electrochemical hydrogenation of the La2Mg17-xMx (M = Ni, Sn, Sb) solid solutions, Eur. J. Chem., 12(2), 197 (2021); https://doi.org/10.5155/eurjchem.12.2.197-203.2092.

V. Nytka, V. Kordan, V. Pavlyuk, La3.65Mg30Sb1.07 as a disordered derivative of Th2Ni17-type structure, Z. Krist.-New Cryst. St., 237(6), 1147 (2022); https://doi.org/10.1515/ncrs-2022-0411.

N. Pavlyuk, V. Nytka, V. Kordan, V. Pavlyuk, Crystal structure of the hydrogen storage active phase La12Mg46LiMn, Z. Krist.-New Cryst. St., 238(6), 1223 (2023); https://doi.org/10.1515/ncrs-2023-0416.

O. Isnard, S. Miraglia, J. L. Soubeyroux, D. Fruchart, A. Stergiou, Neutron diffraction study of the structural and magnetic properties of the R2Fe17Hx(Dx) ternary compounds (R = Ce, Nd and Ho), J. Less-Common Met., 162, 273 (1990); https://doi.org/10.1016/0022-5088(90)90343-I.

A. Percheron-Guégan, C. Lartigue, J. C. Achard, P. Germi, F. Tasset, Neutron and X-ray diffraction profile analyses and structure of LaNi5, LaNi5-xAlx and LaNi5-xMnx intermetallics and their hydrides (deuterides), J. Less. Common. Met., 74(1), 1 (1980); https://doi.org.10.1016/0022-5088(80)90063-6.

V. M. Kordan, O. I. Zaremba, P. Yu. Demchenko, V. V. Pavlyuk, Synthesis and electrochemical properties of LiyCaxNd1-xMnO3 solid solution, Acta Phys. Pol. A., 114(4), 273 (2022); https://doi.org/10.12693/APhysPolA.141.273.

V. Kordan, O. Zaremba, P. Demchenko, V. Pavlyuk, Synthesis and electrochemical properties of LiyM1-xCaxMnO3 (M = Pr, Eu) solid solutions, Physics and Chemistry of Solid State, 23(4), 699 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.699-704.

MTech. Retrieved from: http://chem.lnu.edu.ua/mtech/mtech.htm [in Ukrainian].

W. Kraus, G. Nolze, PowderCell for Windows (Federal Institute for Materials Research and Testing, Berlin, 2000).

D. Schwarzenbach, Program LATCON: refine lattice parameters. (University of Lausanne, Lausanne, 1966).

J. Rodriguez-Carvajal, The Satellite Meeting on Powder Diffraction of the XV Congress of the IUCr (Toulouse, 1990), p. 127.

V. Kordan, V. Nytka, G. Kovalczyk, A. Balinska, O. Zelinska, R. Serkiz, V. Pavlyuk, Influence of doping elements on the electrochemical hydrogenation efficiency of Tb2Ni17-based phases, Chem. Met. Alloys, 10(1/2), 61 (2017); https://doi.org/10.30970/cma10.0355.