Computergestütztes Design von Laves-Phasen-Legierungen als Wasserstoffspeicher

• Antragsteller: Dr. Yuji Ikeda
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519607530

In dem vorliegenden Projektvorhaben zielen wir darauf ab, neue Wasserstoffspeicher-legierungen—die bei Raumtemperatur aktiviert werden können—innerhalb des riesigen Kompositionsraums von Hoch-Entropie-Legierungen (HEAs) in Laves-Phasen zu entdecken. Zu diesem Zweck werden wir ein methodisches Framework für die Entwicklung von Wasserstoffspeicherlegierungen in Laves-Phasen auf der Grundlage von ab initio Dichtefunktionaltheorie (DFT) Berechnungen und Monte-Carlo-Simulationen mit Hinblick auf thermodynamische und kinetische Aspekten erarbeiten. Wir werden zunächst umfassende Daten für die grundlegenden Eigenschaften der Wasserstoffabsorption und -diffusion, z. B. die Bindung- und die Aktivierungsenergien von H-Atomen bei verdünnten H-Konzentrationen, in den Laves-Phasen-Legierungen auf der Grundlage von ab initio DFT-Simulationen generieren. Wir gehen zunächst von geordneten Laves-Phasen-Legierungen aus und berücksichtigen dabei alle symmetrisch inäquivalenten Zwischengitterplätze, die potenziell für H-Atome zur Verfügung stehen könnten, und erweitern dann diesen Ansatz auf die HEAs in Laves-Phasen, indem wir die Abhängigkeit der H-Energetik von der lokalen chemischen Umgebung um die Zwischengitterplätze sorgfältig analysieren. Der zweite Schritt besteht darin, ein Framework zu entwickeln, um die Absorption und die Diffusion von H-Atomen bei realistischeren endlichen H-Konzentrationen auf der Grundlage der berechneten ab initio Daten zu untersuchen. Metropolis Monte Carlo (MMC) Simulationen werden in Kombination mit einem Cluster-Expansion (CE) Hamiltonian verwendet, um die Gleichgewichts-H-konzentration, d. h. die H-Kapazität, als Funktion von Temperatur und Druck zu berechnen. Zur Bestimmung von H-Diffusionskoeffizienten werden kinetische Monte-Carlo-Simulationen (KMC) durchgeführt. Das so entwickelte Framework wird schließlich dazu verwendet, den riesigen Kompositionsraum der HEAs in Laves-Phasen zu durchsuchen, um neue Zusammensetzungen mit günstigen Eigenschaften für die Wasserstoffspeicherung zu entdecken. Unser Ziel sind insbesondere Wasserstoffspeicherlegierungen, die bei moderaten Temperaturen und Drücken Wasserstoff absorbieren und desorbieren können und keine komplizierten Aktivierungsprozesse erfordern. Unter diesen Bedingungen werden wir die Zusammensetzung optimieren, um eine hohe Wasserstoffkapazität und eine hohe Wasserstoffabsorptionsrate zu erreichen. Die so entwickelten Legierungen werden in Zusammenarbeit mit experimentellen Partnern synthetisiert, und die tatsächlichen Eigenschaften für die Wasserstoffspeicherung werden bewertet. Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Daten werden in bewährter Weise veröffentlicht. Die Ergebnisse und das im Rahmen des Projekts gewonnene Wissen sollen die Entwicklung von Wasserstofftechnologien wie Brennstoffzellen erheblich beschleunigen und dazu beitragen, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu verringern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Kaveh Edalati