Precipitation Reactions in Nickel—Hydrogen System: ab initio Study

Abstract

A type of precipitation reactions in the nickel-hydrogen system is studied by means of first-principle atomic calculations. The concentration dependence of solution enthalpy is calculated, and its second derivative is shown to be negative within the hydrogen-to-nickel ratios, H/Ni, of 0.03-0.75. This result suggests that a spinodal decomposition of the solid solution occurs resulting in formation of the hydrogen-rich and hydrogen-depleted phases. The obtained hydrogen concentrations in these conjugated phases are in consistency with the available experimental data. The effects of hydrogen concentration on the electronic structure and its correlation with thermodynamic stability of phases confirm that spinodal decomposition in the nickelhydrogen system has the electronic origin. The obtained results are at variance with the widely accepted concept of the nickel hydride.Key words: spinodal decomposition, nickel-hydrogen system, hydride, ab initio calculations.Тип реакцій виділення в системі нікель-водень досліджено за допомогою розрахунків із перших принципів. Розраховано концентраційну залеж-ність ентальпії розчинення, а також показано, що її друга похідна є від'ємною в діяпазоні відношень водень-метал, H/Ni, від 0,03 до 0,75. Це означає, що має місце спинодальний розпад твердого розчину із форму-ванням збагаченої та збідненої воднем фаз. Одержані значення концент-рацій водню в цих спряжених фазах узгоджуються з експериментальни-ми даними. Вплив концентрації водню на електронну структуру, а також кореляція з термодинамічною стабільністю фаз підтверджують, що спи- S. M. TEUSнодальний розпад у системі нікель-водень має електронну природу. Оде-ржані результати знаходяться у протиріччі з широко розповсюдженою концепцією гідриду ніклю.Ключові слова: спинодальний розпад, система нікель-водень, гідрид, ро-зрахунки із перших принципів.Тип реакций выделения в системе никель-водород изучен при помощи расчётов из первых принципов. Рассчитана концентрационная зависи-мость энтальпии растворения, а также показано, что её вторая производ-ная является отрицательной в диапазоне отношений водород-металл, H/Ni, от 0,03 до 0,75. Это свидетельствует о том, что имеет место спино-дальный распад твёрдого раствора с формированием обогащённой и обед-нённой водородом фаз. Полученные значения концентраций водорода в этих сопряжённых фазах находятся в согласии с экспериментальными данными. Влияние концентрации водорода на электронную структуру и корреляция с термодинамической стабильностью фаз подтверждают, что спинодальный распад в системе никель-водород имеет электронную при-роду. Полученные результаты находятся в противоречии с широко рас-пространённой концепцией гидрида никеля.Ключевые слова: спинодальный распад, система никель-водород, гид-рид, расчёты из первых принципов.