Водород не утечёт: топливо будущего упрятали за решётку нового вещества

2354
19.04.2024, 13:15

Исследователи из Сколтеха, Института кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН и научных центров Китая, Японии и Италии нашли материал, способный вбирать и удерживать в своём объёме в четыре раза больше водорода, чем другие известные вещества для «химического хранения» этого экологичного топлива. В будущем на водороде могли бы работать промышленное производство и транспорт, а водородные накопители уже внедряются для балансирования нагрузки на электросеть. Сложность в том, что водород плохо поддаётся хранению — в решение этой проблемы сделали вклад авторы опубликованного в журнале Advanced Energy Materials 

Ожидается, что водород будет играть важную роль в низкоуглеродной экономике будущего. Его можно производить с помощью возобновляемых источников энергии и использовать для выработки электроэнергии и тепла в топливных элементах, двигателях, промышленных печах. Это экологичное топливо пригодится на производстве стали, стекла и химикатов, в контейнерных перевозках и в целом для транспорта, а также для сглаживания колебаний спроса и предложения в сети электроснабжения, в том числе в контексте непредсказуемой ветровой и солнечной генерации.

Одно из главных препятствий для широкого применения водорода в энергетике — отсутствие безопасной, экологичной и экономичной технологии хранения этого чрезвычайно лёгкого (в 14 раз легче воздуха), химически активного, взрывоопасного и склонного к утечкам газа. При накоплении и транспортировке в газовых баллонах, цистернах, криогенных резервуарах и трубопроводах водород сжимают или сжижают; можно даже превратить его в твёрдое тело — кристалл из молекул H2. Но возникает ряд трудностей.

Во-первых, такого рода манипуляции с водородом крайне энергозатратны: на сжатие и охлаждение тратится порядка 20–40% той энергии, которую в итоге можно будет получить от самого топлива.

Во-вторых, даже в уплотнённом виде водород содержит примерно вдвое меньше энергии на единицу объёма, чем природный газ — сжатый или сжиженный — хотя энергии на единицу массы в водороде намного больше, чем в любом другом химическом топливе. Это особенно неудобно для транспорта.

В-третьих, у водорода самые маленькие молекулы — они легко утекают из контейнеров и даже проникают внутрь металлических стенок (диффузия), делая их хрупкими и вызывая образование трещин.

«Альтернатива — химические накопители, — объясняет выпускник аспирантуры Сколтеха по программе „Науки о материалах“ Дмитрий Семенок, один из первых авторов исследования. — Некоторые материалы, например сплавы магния и никеля или циркония и ванадия, могут удерживать водород в пустотах между атомами металлов, которые образуют кристаллическую решётку. В такие „аккумуляторы“ можно упаковать достаточно много водорода, безопасно его хранить и высвобождать по мере надобности путём нагрева. Но, хотя имеющиеся сплавы можно продолжать совершенствовать с точки зрения условий закачки и извлечения водорода, а также ресурса циклов зарядки и разрядки, существует достаточно жёсткое ограничение главного показателя: в эти сплавы вряд ли удастся втиснуть больше двух-трёх атомов водорода на атом металла».

«В синтезированных нами соединениях — гептагидриде цезия CsH7 и нонагидриде рубидия RbH9 — помещается аж семь или девять атомов водорода соответственно на один атом металла. Причём мы рассчитываем, что это будут первые столь насыщенные водородом материалы, устойчивые при атмосферном давлении, хотя 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, — вдвое выше, чем в метане CH4», — добавил Семенок.

Научный руководитель исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов, заведующий Лабораторией дизайна материалов, рассказал, как устроен эксперимент: «Богатое водородом твёрдое вещество боразан (боран аммиака NH3BH3) реагирует с цезием или рубидием. Получается соль — амидоборан цезия или рубидия. При нагревании соль разлагается на моногидрид цезия или рубидия и большое количество водорода. Поскольку эксперимент проходит в ячейке с алмазными наковальнями, которые обеспечивают давление в 100 тыс. атмосфер, выделившийся водород втискивается в пустоты кристаллической решётки низших гидридов с образованием полигидридов: гептагидрида цезия и двух вариантов нонагидрида рубидия с разной топологией кристаллической структуры».

По словам исследователей, цезию и рубидию с их большими атомными радиусами «предначертано» участвовать в водородной аккумуляции, ведь объём пустот в кристаллической решётке из-за этого особенно велик. Образование в ходе эксперимента полигидридов этих металлов согласуется с предсказаниями компьютерных моделей и расчётами на основе фундаментальных законов физики, а также подтверждается рентгеноструктурным анализом, рамановской спектроскопией и, наконец, спектроскопией отражения и пропускания в алмазных камерах, задействовать которую стало возможным благодаря вкладу в исследование научного сотрудника Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха Дениса Санникова.

Коллектив собирается повторить эксперимент в большем масштабе с использованием гидравлического пресса. Таким образом учёные хотят получить полигидриды цезия и рубидия в большем количестве и при меньшем давлении (10 тыс. атмосфер), а также убедиться, что эти соединения, в отличие от других известных полигидридов, останутся устойчивы при снижении давления вплоть до атмосферного.

Эксперименты под высоким давлением поддержаны грантом Российского научного фонда № 22-12-00163.