Ученые разработали способ повышения концентрации водорода в топливных элементах

Исследователи из Сколковского института науки и технологий, Института кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН и научных центров Китая, Японии и Италии нашли материал, способный вбирать и удерживать в своем объеме в четыре раза больше водорода, чем другие известные вещества для химического хранения этого экологически чистого 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 поддается хранению. В решение этой проблемы и внесли вклад авторы нового исследования.
Работа была опубликована 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 электричества и тепла в топливных элементах, двигателях, промышленных печах. Это экологически чистое 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.
Одним из главных препятствий для широкого применения водорода в энергетике остается отсутствие безопасной, экологичной и экономичной технологии 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. Можно даже превратить его в кристалл из молекул H₂. Но возникает ряд трудностей.
Во-первых, такого рода манипуляции с водородом крайне энергозатратны. На сжатие и охлаждение тратятся порядка 20-40 процентов той энергии, которую в итоге можно будет получить от самого топлива. Во-вторых, даже в уплотненном виде водород содержит примерно вдвое меньше энергии на единицу объема, чем сжатый или сжиженный природный газ, 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, делая их хрупкими и вызывая образование трещин.
Альтернативой выступают химические накопители. Некоторые материалы, включая сплавы магния и никеля или циркония и ванадия, могут удерживать водород в пустотах между атомами металлов, которые образуют кристаллическую решетку. В такие аккумуляторы можно упаковать достаточно много водорода, безопасно его хранить и высвобождать по мере надобности путем нагрева. Но, хотя имеющиеся сплавы можно продолжать совершенствовать в плане условий закачки и извлечения водорода, а также ресурса циклов зарядки и разрядки, существует достаточно жесткое ограничение главного показателя. В эти сплавы вряд ли удастся втиснуть больше двух-трех атомов водорода на атом металла.
В синтезированных специалистами Сколковского института науки и технологий соединениях, таких как гептагидрид цезия CsH₇ и нонагидрид рубидия RbH₉, помещаются семь или девять атомов водорода, соответственно, на один атом металла. Доля атомов водорода в этих веществах выше, чем в любых известных гидридах, существующих при нормальных давлениях. Ученые рассчитывают, что это будут первые столь насыщенные водородом материалы, устойчивые при атмосферном давлении, хотя для подтверждения гипотезы потребуются дополнительные эксперименты.
Научный руководитель исследования, профессор Сколковского института науки и технологий Артем Оганов, заведующий лабораторией дизайна материалов, рассказал, как проходит эксперимент. Богатое водородом твердое вещество боран аммиака NH₃BH₃ реагирует с цезием или рубидием. Получается амидоборан цезия или рубидия. При нагревании эта соль разлагается на моногидрид цезия или рубидия и большое количество водорода. Поскольку эксперимент проходит в ячейке с алмазными наковальнями, которые обеспечивают давление в 100 тысяч атмосфер, выделившийся водород втискивается в пустоты кристаллической решетки низших гидридов с образованием таких полигидридов, как гептагидрид цезия и два варианта нонагидрида рубидия с разной топологией кристаллической структуры.
По словам исследователей, цезий и рубидий с их большими атомными радиусами просто созданы для 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, а также подтверждается рентгеноструктурным анализом, рамановской спектроскопией и, наконец, спектроскопией отражения и пропускания в алмазных камерах, задействовать которую удалось благодаря вкладу в исследование научного сотрудника лаборатории гибридной фотоники Сколковского института науки и технологий Дениса Санникова.
Коллектив собирается повторить эксперимент в большем масштабе с использованием гидравлического пресса. 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. Эксперименты под высоким давлением получили грант Российского научного фонда.