Оценка энергии поглощения водорода на различных гидридах металлов с использованием метода регрессии гауссовского процесса

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21902 (2022) Цитировать эту статью

1374 Доступа

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Водород является перспективным альтернативным источником энергии из-за его значительно высокой плотности энергии. Кроме того, водород может быть преобразован в электричество в энергетических системах, таких как топливные элементы. Переход к приложениям, потребляющим водород, требует метода хранения водорода, который предполагает использование упакованного водорода с высокой плотностью. Среди разнообразных методов поглощение водорода основным металлом применимо при комнатной температуре и давлении, что не вызывает каких-либо проблем с безопасностью. В связи с этим в качестве подходящего хозяина выбран металлогидрид АВ2 с потенциально высокой плотностью водорода. Методы машинного обучения были применены для установления зависимости влияния химического состава этих хозяев на хранение водорода. Для этой цели был использован банк данных из 314 пар точек данных. В этой оценке различные элементы A-сайта и B-сайта использовались в качестве входных переменных, а энергия поглощения водорода приводила к выходным данным. Предлагается надежный подход регрессии гауссовского процесса (GPR) с четырьмя ядерными функциями для прогнозирования энергии поглощения водорода на основе входных данных. Все модели георадаров показали отличные результаты; в частности, георадар с экспоненциальной функцией ядра показал самую высокую точность с R2, MRE, MSE, RMSE и STD: 0,969, 2,291%, 3,909, 2,501 и 1,878 соответственно. Кроме того, чувствительность анализа показала, что ZR, Ti и Cr являются наиболее разминирующими элементами в этой системе.

В последние годы спрос на энергию увеличился в геометрической прогрессии, достигнув более 18 ТВт. Ожидается, что в последующие годы рост рынка продолжится1. В настоящее время ископаемое топливо составляет более 80% мирового потребления энергии2,3,4,5. Однако из-за экологических проблем переход на возобновляемые источники энергии имеет решающее значение6. В этом отношении водород может произвести революцию в системах возобновляемой энергетики как топливо и экологически чистый энергоноситель. Это могло бы стать основой для создания безуглеродного топлива7,8. Водородная энергетика в последние годы стала одним из самых популярных источников энергии. Это связано с тем, что оно имеет более высокое содержание энергии и вызывает меньше проблем с окружающей средой, чем ископаемое топливо9. Водород имеет гораздо более высокую энергетическую плотность — 142 МДж кг-1, чем ископаемое топливо, с плотностью 47 МДж кг-110. По оценкам, к 2040 году около 35% европейских автомобилей будут работать на водороде9. Кроме того, к 2050 году водородная энергия обеспечит около 34% мировой потребности в энергии11. в чистом виде. В результате для его получения было разработано несколько химических, электрохимических, фотоэлектрохимических, термических и микробиологических подходов12,13,14. Ежегодно в мире производится более 50 миллионов тонн водорода15.

Водород можно хранить тремя основными способами: в газе, в жидкости и в твердой фазе. Твердофазное хранение является одной из наиболее перспективных технологий хранения благодаря способности работать при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также превосходной безопасности и низким потерям энергии16,17,18,19,20,21. Гидриды металлов были замечены в качестве материала для хранения водорода в твердом состоянии22,23,24,25,26,27 и производятся путем абсорбции молекул водорода на металлическом/интерметаллическом носителе28. Весовая плотность поглощенного в этих соединениях водорода составляет около 1–3 мас.%5,29. К настоящему времени были идентифицированы и исследованы различные гидриды металлов, в том числе AB, AB2, AB3, AB5 и A2B, в которых A и B представляют собой два типа металлов или группу металлов. Металлогидрид AB2 является наиболее перспективным типом для хранения водорода из-за его легкой активации, быстрой кинетики и благоприятных условий давления30. В сплавах AB2 элемент A содержит гидридную составляющую таких элементов, как Ti, Zr, Ta и Hf, а элемент B содержит переходные металлы, такие как Fe, Co, Ni, Mn, Cr и V31,32. C14 и C15 с гексагональной и гране-центр-кубической структурой соответственно являются фазами Лавеса гидридов металлов AB233.