Effect of local chemistry on the thermodynamic modeling of multicomponent alloys for hydrogen storage
| dc.contributor.advisor1 | Zepon, Guilherme | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/7924187202036614 | |
| dc.contributor.author | Pedroso, Otávio Abreu | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/0451136180466494 | |
| dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0000-0002-4470-1656 | |
| dc.contributor.referee | Jakse, Noel | |
| dc.contributor.referee | Zepon, Guilherme | |
| dc.contributor.referee | Filho, Walter José Botta | |
| dc.contributor.referee | Floriano, Ricardo | |
| dc.contributor.referee | Zlotea, Claudia | |
| dc.contributor.referee | Plazanet, Marie | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/7924187202036614 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/8956458007749112 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/8893800436245833 | |
| dc.contributor.refereeorcid | https://orcid.org/0000-0002-4031-0965 | |
| dc.contributor.refereeorcid | https://orcid.org/0000-0002-4454-6991 | |
| dc.contributor.refereeorcid | https://orcid.org/0000-0002-7041-8299 | |
| dc.date.accessioned | 2025-09-23T13:22:04Z | |
| dc.date.issued | 2025-09-19 | |
| dc.description.abstract | In this work, a new thermodynamic model for pressure-composition-temperature diagram (PCT) calculations of multicomponent alloys for hydrogen storage was developed and evaluated. The objective of this new model is to evaluate the local chemical effect, that is, the interaction between hydrogen and the first neighbors of the interstitial sites, in the PCT diagrams. Initially, a site blocking model based on the Johnson-Mehl-Avrami (JMAK) equation was proposed to quantify the configurational entropy, taking into account the interstitial sites blocked due to the prior occupation of a nearby neighbor site by hydrogen. The model effectively calculates the fractions of blocked sites, avoiding blocking overlaps that can occur in the studied structures, allowing the accurate determination of partial molar entropy, which showed good agreement with experimental data. A Discrete Site Energy model (DSE) was proposed and implemented in open source code to calculate the thermodynamic properties for metal-hydrogen systems under para-equilibrium conditions. The model considers the different local chemical environments at the interstitial sites of crystalline structures. The model then calculates the Gibbs free energy as a function of the distribution of occupation of the different interstitial sites present in the alloys, which can be determined by minimizing the Gibbs free energy as a function of the fraction of interstitial occupied sites. This model was developed for two classes of multicomponent alloys important for hydrogen storage, alloys with a body-centered cubic (BCC) structure and alloys with a C14-type Laves phase structure. For BCC structures, a validation process was performed using a set of alloys from the TiVNbCr-system, where the calculated results observed describe the plateau pressure well. The DSE model was subsequently applied to C14 Laves phases, where interstitial sites are described by seven distinct Wyckoff positions that introduce cross-blocking effects and distinct local chemical environments depending on the Wyckoff position. After optimizing the metal-hydrogen interaction energies, the model showed good agreement with the experimental results for five C14 alloys. In addition, it was possible to observe the sensitivity of the model to minor energy deviations, attributed to the logarithmic relationship between pressure and the chemical potential of H. These models provide a computationally efficient framework for screening alloy compositions, thereby reducing experimental costs in the design of hydrogen storage materials. The JMAK approaches to site blocking effect and DSE demonstrate versatility across crystal structures, offering critical insights into site-blocking dynamics and phase equilibrium for H storage systems. | eng |
| dc.description.resumo | Neste trabalho, um novo modelo termodinâmico para cálculos de diagrama pressão-composição-temperatura (PCT) de ligas multicomponentes para armazenagem de hidrogênio foi desenvolvido e avaliado. O objetivo deste novo modelo é incorporar e avaliar o efeito químico local nos diagramas PCT por meio da consideração de diferentes ambientes químicos locais que podem interagir diferentemente com os átomos de hidrogênio. Inicialmente, um modelo de bloqueio de sítios baseado na equação de Johnson-Mehl-Avrami (JMAK) foi proposto para quantificar a entropia configuracional levando em consideração os sítios intersticiais bloqueados devido a ocupaçao prévia de um sítio vizinho próximo por hidrogênio. O modelo calcula efetivamente as frações de sítios bloqueados, evitando as sobreposições de bloqueio que podem ocorrer nas estruturas estudadas, permitindo a determinação precisa da entropia parcial molar, que mostrou boa concordância com os dados experimentais. Um modelo de energia de sítio (DSE) foi proposto e implementado em um código aberto para calcular as propriedades termodinâmicas para sistemas metal-hidrogênio em condições de para-equilíbrio. O modelo considera os diferentes ambientes químicos locais nos sítios intersticiais das estruturas cristalinas. Em seguida, o modelo calcula a energia livre de Gibbs como uma função da distribuição da ocupação dos diferentes sítios intersticiais presentes nas ligas, que pode ser determinada minimizando a energia livre de Gibbs em função das frações de ocupação dos intersticios. Este modelo foi desenvolvido para duas classes de ligas multicomponente importantes para armazenagem de hidrogênio, ligas com estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e ligas com estrutura de fase de Laves do tipo C14. Para as estruturas CCC, foi realizado um processo de validação empregando um conjunto de ligas do sistema TiVNbCr, onde os resultados calculados observados descrevem bem a pressão de platô. Posteriormente, as fases de Laves C14 foram descritas no modelo DSE, onde os sítios intersticiais são descritos por sete posições de Wyckoff distintas que introduzem efeitos de bloqueio cruzado e ambientes químicos locais distintos que dependem da posição de Wyckoff. Cinco ligas do sistema (TiZr)(MnCr)$_2$ foram calculadas com o modelo descrito para comparação com dados experimentais, em que foi observado que, apesar de o modelo descrever bem o comportamento das curvas PCT, as pressões calculadas apresentam um desvio considerável dos valores medidos experimentalmente, levando à necessidade de avaliar e otimizar os valores de energia de interação dos átomos de hidrogênio com os átomos de metal que compõem os sítios intersticiais. Após a otimização das energias de interação metal-hidrogênio, o modelo demonstrou uma boa correspondência com os resultados experimentais para a maior parte das ligas C14 testadas. Além disso, foi possível observar a sensibilidade do modelo a pequenas flutuações de energia, atribuídas à relação logarítmica entre a pressão e o potencial químico do H. Esses modelos fornecem uma estrutura computacionalmente eficiente para a triagem de composições de ligas, reduzindo assim os custos experimentais no desenvolvimento de materiais de armazenamento de hidrogênio. As abordagens JMAK para bloqueios de sítio e DSE demonstram versatilidade em estruturas cristalinas, oferecendo insights críticos sobre a dinâmica de bloqueio de sítios e o equilíbrio de fases em sistemas utilizados para armazenamento de H. | por |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo 161341/2021-7, CNPq | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo 88887.662596/2022-00, CAPES-COFECUB | |
| dc.identifier.citation | PEDROSO, Otávio Abreu. Effect of local chemistry on the thermodynamic modeling of multicomponent alloys for hydrogen storage. 2025. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22804. | por |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14289/22804 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | |
| dc.publisher.initials | UFSCar | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM | |
| dc.relation.uri | https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542400260X | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | |
| dc.subject | Modelagem termodinâmica | por |
| dc.subject | Armazenamento de hidrogênio | por |
| dc.subject | Ligas multicomponente | por |
| dc.subject | Fases CCC | por |
| dc.subject | Fases de Laves C14 | por |
| dc.subject | Thermodynamic model | eng |
| dc.subject | Hydrogen storage | eng |
| dc.subject | Multicomponent alloys | eng |
| dc.subject | BCC phase | eng |
| dc.subject | C14 Laves phase | eng |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA | |
| dc.title | Effect of local chemistry on the thermodynamic modeling of multicomponent alloys for hydrogen storage | eng |
| dc.title.alternative | Efeito da química local na modelagem termodinâmica de ligas multicomponentes para armazenamento de hidrogênio | por |
| dc.type | Tese |
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