Физики создали перспективный водородный аккумулятор на основе нанотехнологий

Ученые разработали революционный метод хранения водорода, перспективного экологически чистого топлива, с использованием традиционных материалов в их наноразмерной форме, сообщается в статье исследователей, опубликованной в онлайн-версии журнала Nature Materials, передает РИА «Новости».

Разработанный материал представляет собой нанокомпозит — механическую смесь двух основных компонентов, один из которых, металлический магний, используется в нанокристаллической форме для связывания газа. Второй компонент — полимер полиметилметакрилат, проницаемый для водорода, играет роль матрицы, в которой распределены металлические наночастицы.

Согласно предварительным экспериментам, проведенным группой профессора Джефри Урбана (Jeffrey Urban) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, материал при нагревании до 200 градусов Цельсия менее чем за полчаса может быть полностью «заряжен» водородом, количество которого может составлять до 6% от массы магния в композиции. При этом параметры емкости, температурного режима и скорости работы являются оптимальными, что сулит хорошие перспективы применения подобных систем в коммерческих продуктах, главным образом, в автотранспорте. При этом многократные циклы зарядки и разрядки нанокомпозиту не страшны.

Дополнительным преимуществом материала является его дешевизна за счет отказа от дорогостоящих катализаторов, часто используемых для ускорения химических процессов с участием водорода. Теперь ученым предстоит увеличить емкость материала по водороду таким образом, чтобы она составляла более 6% от массы всего аккумулятора, включая массу конструкционных элементов.

Разработки методов использования водорода как экологически чистого топлива, оставляющего после своего сгорания только пары воды, ведутся уже не одно десятилетие. Одной из главных проблем для ученых было отсутствие надежного и удобного метода хранения водорода.

Хранение его в сжатом виде неприемлемо, так как требует применения толстостенных и слишком тяжелых стальных баллонов. По этой причине разработчики ищут способы хранения водорода с помощью твердых материалов, которые способны «вбирать» в свою структуру большие его количества, и высвобождать при небольшом нагревании.

Учеными были испытаны, в подавляющем большинстве случаев безуспешно, множество материалов — на основе углеродных нанотрубок, полимеров, металлов, образующих гидриды при взаимодействии с водородом и так далее. При этом к материалу-«хранителю» одновременно предъявляется два противоположных требования — он должен активно взаимодействовать с водородом, чтобы «вбирать» как можно больше газа в свою структуру, и при этом связывать его не слишком прочно, чтобы высвобождать при небольшом нагревании.

Гидриды легких металлов, в частности магния — MgH2 — могут очень прочно связывать относительно большие количества водорода, однако связывают его слишком прочно. Чтобы высвободить газообразный водород, материал приходится нагревать до высоких температур. Как показала группа Урбана, применение магния в нанокристаллической форме с размером металлической частицы от 2 до 6 нанометров резко ускоряет процессы поглощения и выделения главным образом за счет особенной структуры поверхности металла, которую он принимает в наноразмерном состоянии.

«Эта работа показывает наши возможности в разработке наноразмерных материалов, превосходящих фундаментальные термодинамические и кинетические барьеры и обладающих сочетанием свойств, недоступных в течение многих лет напряженных исследований. Более того, мы можем эффективно улучшить свойства полимерной матрицы и металлических наночастиц данного материала и сделать его применимым в смежных отраслях энергетики», — приводит слова Урбана пресс-служба Министерства энергетики США, финансировавшего работы.