Водород не утечет: ученые разработали новый материал для удержания большего количества топлива
На сегодняшний день отсутствие безопасной технологии хранения водорода является одним из препятствий для его широкого применения
Материал, способный вбирать и удерживать в своем объеме в четыре раза больше водорода, чем другие известные вещества, предназначенные для «химического хранения», нашли исследователи Сколтеха, Института кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН и научных центров Китая, Японии и Италии. Сложность этого экологического топлива заключается в том, что водород плохо поддается хранению, поэтому ученые ищут альтернативы для его скорейшего внедрения.
Водород производится с помощью возобновляемых источников энергии и используется для выработки электроэнергии и тепла в топливных элементах, двигателях, промышленных печах. Ожидается, что его можно будет использовать в низкоуглеродной экономике будущего на промышленных производствах, транспортной сфере и для сглаживания колебаний спроса и предложения в сети электроснабжения. Уже сейчас водородные накопители внедряются для балансирования нагрузки на электросеть. Однако одно из главных препятствий для широкого применения водорода в энергетике – отсутствие безопасной, экологичной и экономичной технологий хранения этого чрезвычайно легкого, химически активного, взрывоопасного и склонного к утечкам газа.
При накоплении и транспортировке в газовых баллонах, цистернах, криогенных резервуарах и трубопроводах водород сжимают или сжижают, однако возникает ряд трудностей. Такого рода манипуляции с водородом крайне энергозатратны, а в уплотненном виде водород содержит примерно вдвое меньше энергии на единицу объема, чем природный газ – сжатый или сжиженный. Это особенно неудобно для транспорта. Кроме того, у водорода самые маленькие молекулы – они легко утекают из контейнеров и даже могут проникнуть внутрь металлических стенок, делая их хрупкими и вызывая образование трещин.
«Альтернатива – химические накопители. Некоторые материалы, например сплавы магния и никеля или циркония и ванадия, могут удерживать водород в пустотах между атомами металлов, которые образуют кристаллическую решетку», – рассказал выпускник аспирантуры Сколтеха по программе «Науки о материалах» Дмитрий Семенок, один из первых авторов исследования.
По его словам, в такие «аккумуляторы» можно упаковать достаточно много водорода, безопасно его хранить и высвобождать по мере надобности путем нагрева. Тем более, в исследовании рассматриваются насыщенные водородом соединения, которые образуются при очень высоком давлении из водорода и рубидия либо цезия. Идея хороша тем, что здесь не существует жесткого ограничения главного показателя. Имеющиеся сплавы можно продолжать совершенствовать, однако в них невозможно будет хранить больше двух-трех атомов водорода на атом металла.
«В синтезированных нами соединениях помещается аж семь или девять атомов водорода соответственно на один атом металла. Мы рассчитываем, что это будут первые столь насыщенные водородом материалы, устойчивые при атмосферном давлении, – вдвое выше, чем в метане», – добавил Семенок.
Он отметил, что для строгого подтверждения нужны дополнительные эксперименты. Как бы то ни было, доля атомов водорода в этих веществах выше, чем в любых известных гидридах, существующих при нормальных давлениях.
Научный руководитель исследования, профессор Сколтеха и заведующий Лабораторией дизайна материалов Артем Оганов рассказал, как устроен эксперимент.
«Богатое водородом твердое вещество боразан реагирует с цезием или рубидием. Получается соль – амидоборан цезия или рубидия. При нагревании соль разлагается на моногидрид цезия или рубидия и большое количество водорода. Выделившийся водород втискивается в пустоты кристаллической решетки низших гидридов с образованием полигидридов», – поделился Оганов.
По словам исследователей, цезию и рубидию с их большими атомными радиусами «предначертано» участвовать в водородной аккумуляции, ведь объем пустот в кристаллической решетке из-за этого особенно велик. Образование в ходе эксперимента полигидридов этих металлов согласуется с предсказаниями компьютерных моделей и расчетами на основе фундаментальных законов физики, что также подтверждается рентгеноструктурным анализом, рамановской спектроскопией и, наконец, спектроскопией отражения и пропускания в алмазных камерах. Задействовать ее стало возможным благодаря научному сотруднику Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха Денису Санникову, который внес определенный вклад в исследование.
Коллектив собирается повторить эксперимент в большем масштабе с использованием гидравлического пресса. Таким образом ученые хотят получить полигидриды цезия и рубидия в большем количестве и при меньшем давлении, а также убедиться, что эти соединения, в отличие от других известных полигидридов, останутся устойчивы при снижении давления вплоть до атмосферного.
Ранее российские инженеры создали первую в стране методику проектирования криогенных электродвигателей. Они предназначены для насосов, которые используются для перекачки сжиженного природного газа.
Теги:
