Геохимия, 2022, T. 67, № 5, стр. 494-500

Применение in situ методов эксперимента для изучения полей стабильности водород-содержащих фаз при высоких давлениях

Н. В. Черткова a*, Ю. А. Литвин a**, В. С. Ефимченко b, А. В. Спивак a, Е. С. Захарченко ab, О. Г. Сафонов a, К. П. Мелетов ab, А. И. Бурова ac

a Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН
142432 Московская обл, Черноголовка, ул. Академ. Осипьяна, 4, Россия

b Институт физики твердого тела РАН
142432 Черноголовка, ул. Академ. Осипьяна, 2, Россия

c Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет
119991 Москва, Ленинские горы, Россия

* E-mail: nadezda@iem.ac.ru
** E-mail: litvin@iem.ac.ru

Поступила в редакцию 14.02.2021
После доработки 05.06.2021
Принята к публикации 05.06.2021

Аннотация

Разработана и испытана методика генерирования молекулярного водорода при термическом разложении борана аммиака BH3NH3 в рабочем объеме ячейки высокого давления с алмазными наковальнями и внешним резистивным нагревом. Диссоциация борана аммиака с выделением молекулярного Н2 исследована в диапазоне давлений 2–5 ГПа при нагреве до температур выше 198°С в присутствии SiO2. В интервале температур 25–250°С сохраняется постоянный оптический доступ к исследуемым водородсодержащим веществам, обеспечивая идентификацию и определение свойств фаз in situ. Разработанный метод перспективен для проведения исследований водородсодержащих систем коры и мантии Земли в восстановительных условиях.

Ключевые слова: ячейка с алмазными наковальнями, внешний резистивный нагрев, боран аммиака, водород, in situ фазовый анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния света

Список литературы

  1. Новиков А.П., Ляпин С.Г., Стишов С.М. (2019) Ячейка высокого давления с алмазными наковальнями для оптических исследований при низких температурах. Приб. техн. эксперим. (1), 131-136.

  2. Стороженко П.А., Свицын Р.А., Кецко В.А., Буряк А.К., Ульянов А.В. (2005) Синтез и физико-химические свойства амминоборана. Журн. неорг. хим. 50(7), 1066-1071.

  3. Черткова Н.В., Спивак А.В., Захарченко Е.С., Литвин Ю.А., Сафонов О.Г., Новиков А.П., Ефимченко В.С., Мелетов К.П. (2021) Установка высокого давления с внешним нагревом для in situ исследований фазовых переходов. Приб. техн. эксперим. (3), 158-160.

  4. Шолин И.А. (2020) Термодинамические свойства гидридов высокого давления. Дисс. канд. Физ.-мат. Наук. Черноголовка: Институт физики твердого тела, 126 с.

  5. Andersson O., Filinchuk Y., Dmitriev V., Quwar I., Talyzin A.V., Sundqvist B. (2011) Phase coexistence and hysteresis effects in the pressure-temperature phase diagram of NH3BH3. Phys. Rev. B 84(2), 024115.

  6. Antonov V.E., Bulychev B.M., Fedotov V.K., Kapustin D.I., Kulakov V.I., Sholin I.A. (2017) NH3BH3 as an internal hydrogen source for high pressure experiments. Int. J. Hydrogen Energy 42, 22454-22459.

  7. Chertkova N., Ohfuji H., Nomura R., Kadobayashi H., Irifune T. (2018) A step toward better understanding of behavior of organic materials at simultaneous high pressures and high temperatures. High Press. Res. 38(3), 337-347.

  8. Drozdov A.P., Kong P.P., Minkov V.S. et al. (2019) Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressure. Nature 569, 528-531.

  9. Efimchenko V.S., Fedotov V.K., Kuzovnikov M.A. et al. (2013) Hydrogen solubility in amorphous silica at pressures up to 75 kbar. J. Phys. Chem. B 117 (1), 422-425.

  10. Efimchenko V.S., Barkovskii N.V., Fedotov V.K., Meletov K.P., Chernyak V.M., Khryapin K.I. (2019) Destruction of fayalite and formation of iron and iron hydride at high hydrogen pressures. Phys. Chem. Min. 46, 743-749.

  11. Efimchenko V.S., Barkovskii N.V., Fedotov V.K., Meletov K.P., Prokoshin A.V. (2021) Chemical reactions in the Fe2SiO4-D2 system with a variable deuterium content at 7.5 GPa. Am. Min., in press. https://doi.org/10.2138/am-2021-7697

  12. Fang J., Chou I.M., Chen Y. (2018) Quantitative Raman spectroscopic study of the H2—CH4 gaseous system. J. Raman Spectrosc. 49(4), 710-720.

  13. Frost D.J., McCammon C.A. (2008) The redox state of Earth’s mantle. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 36, 389-420.

  14. Goncharov A.F., Strzhemechny M.A., Mao H.K., Hemley R.J. (2001) Low-frequency Raman excitations in phase I of solid H2: Role of crystal fields. Phys. Rev. B 63(6), 064304.

  15. Hess N.J., Bowden M.E., Parvanov V.M., Mundy C., Kathmann S.M., Schenter G.K., Autrey T. (2008) Spectroscopic studies of the phase transition in ammonia borane: Raman spectroscopy of single crystal NH3BH3 as a function of temperature from 88 to 330 K. J. Chem. Phys. 128(3), 034508.

  16. Khvostantsev L.G., Slesarev V.N., Brazhkin V.V. (2004) Toroidal type high-pressure device: history and prospects. High Press. Res. 24(3), 371-383.

  17. Kohlstedt D.L., Keppler H., Rubie D.C. (1996) Solubility of water in the α, β and γ phases of (Mg, Fe)2SiO4. Contr. Mineral. Petrol. 123(4), 345-357.

  18. Lin Y., Mao W.L. (2014) High-pressure storage of hydrogen fuel: ammonia borane and its related compounds. Chinese Sci. Bull. 59(36), 5235-5240.

  19. Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E., Katsura T. (2011) Systematic study of hydrogen incorporation into Fe-free wadsleyite. Phys. Chem. Min. 38(1), 75-84.

  20. Mrosko M., Lenz S., McCammon C.A., Taran M., Wirth R., Koch-Müller M. (2013) Hydrogen incorporation and the oxidation state of iron in ringwoodite: A spectroscopic study. Am. Min. 98(4), 629-636.

  21. Nylén J., Eriksson L., Benson D., Häussermann U. (2013) Characterization of a high pressure, high temperature modification of ammonia borane (BH3NH3). Journ. Chem. Phys. 139(5), 054507.

  22. Nylén J., Sato T., Soignard E., Yarger J.L., Stoyanov E., Häussermann U. (2009). Thermal decomposition of ammonia borane at high pressures. J. Chem. Phys. 131(10), 104 506.

  23. Ragan D.D., Gustavsen R., Schiferl D. (1992) Calibration of the ruby R, and R2 fluorescence shifts as a function of temperature from 0 to 600 K J. Appl. Phys. 72(12), 5539-5544.

  24. Rumyantsev V.N. (2016) Hydrogen in the Earth’s outer core, and its role in the deep Earth geodynamics. Geodynam. Tectonophys. 7(1), 119-135.

  25. Shin S., Jin J.H., Jung J. (2020) Thermolytic dehydrogenation of cotton-structured SiO2-Ammonia borane nanocomposite. J. Ind. Eng. Chem. 88, 278-284.

  26. Shinozaki A., Hirai H., Ohfuji H., Okada T., Machida S., Yagi, T. (2013) Influence of H2 fluid on the stability and dissolution of Mg2SiO4 forsterite under high pressure and high temperature. Am. Min. 98, 1604-1609.

  27. Zha C.S., Mao H.K., Hemley R.J. (2000) Elasticity of MgO and a primary pressure scale to 55 GPa. Proceed. Nat. Acad. Sci. 97(25), 13494-13499.

Дополнительные материалы отсутствуют.