Самую вместительную «упаковку» для молекулярного водорода разработали в Черноголовке
Ученые синтезировали полые наносферы из кварцевого стекла (диоксида кремния) для хранения молекулярного водорода. При этом соотношение водорода к диоксиду кремния составило 0,94 — это максимальное на сегодняшний день содержание водорода в кварцевом стекле. Заполнение наносфер водородом авторы проводили при повышенном давлении, которое, тем не менее, не повлияло на форму сфер. Разработанные структуры потенциально могут использоваться для безопасного хранения водорода — перспективного «зеленого» топлива. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Fuel.
Водород все чаще рассматривается в качестве экологически чистой альтернативы ископаемому топливу. Так, при сжигании этого газа не образуется способствующий парниковому эффекту углекислый газ. Однако транспортировка и хранение водорода связаны с трудностями, поскольку до сих пор нет системы для его максимально компактной «упаковки». При этом потенциальный материал для хранения должен вмещать большие количества водорода, быстро поглощать и выделять его, а также состоять из доступных соединений.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка) предложили хранить водород в полых наносферах из диоксида кремния — из этого соединения состоят опал и кварцевое стекло. Для получения частиц авторы использовали шарообразный синтетический шаблон из органического стекла. На нем с помощью химической реакции между водой и кремнийсодержащим органическим соединением сформировали оболочки из диоксида кремния. После этого шаблон органического стекла выжигали нагревом до нескольких сотен градусов и формировали непроницаемую для многих веществ (кроме водорода) оболочку кварцевого стекла. Диаметр полученных полых наносфер составил 289 нанометров, что сопоставимо с размером многих вирусов, а толщина оболочки — 25 нанометров.
Полученные полые наносферы исследователи насыщали водородом при давлении, в 75 000 раз выше атмосферного, и температуре 140°С. Авторы показали, что соотношение «упакованного» в образцах водорода к диоксиду кремния составляет 0,94, то есть их количество оказалось практически равным (частицы на 48,5% были заполнены водородом). Это самое высокое количество водорода, когда-либо растворенное в «упаковках» из различных силикатов. Исследователи выяснили: 29,8% водорода помещается в полости сфер, а остальная часть — в их оболочках.
Анализ показал, что при нормальном внешнем давлении и температуре -193°С (выше этой температуры водород быстро покидает наносферы), молекулы водорода образуют в полостях наносфер газ, а в их оболочках — твердый раствор. При этом плотность газа в полостях наносфер в 52 раза превышает его плотность при нормальном давлении. Согласно данным, полученным методом сканирующей электронной микроскопии, заполнение наносфер водородом при высоком давлении не повлияло на их форму.
Затем ученые решили проверить, как долго синтезированные частицы способны удерживать водород при хранении в жидком азоте — в условиях очень низкой температуры (-196°С). Оказалось, что после пребывания наносфер в жидком азоте при нормальном давлении содержание водорода в них снизилось на 14% за три дня, но затем перестало меняться. Таким образом, полученные наносферы потенциально могут использоваться для длительного хранения и транспортировки газообразного водорода.
«Водород — одно из самых перспективных веществ для зеленой энергетики. Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода — одна из ключевых проблем водородной энергетики. Разработанные нами сферы могут быть хорошим вариантом решения этой задачи, поскольку в них можно поместить большое количество водорода. Также важно отметить, что диоксид кремния — экологичный и доступный материал. Кроме того, изотопы водорода — дейтерий и тритий — считаются основными компонентами топлива для управляемого термоядерного синтеза, способного дать человечеству неисчерпаемый источник энергии. Синтезированные нами сферы могут быть сосудом и для дейтерия, и для трития, и использоваться в качестве перспективных топливных мишеней в управляемом инерционном термоядерном синтезе, технологии которого активно развиваются в мире», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Вадим Ефимченко, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией физики высоких давлений Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Разместила: Ирина Усик