.jpg)
Водородная энергетика считается одним из перспективных направлений развития техники. Водород не дает вредных выбросов, его много, он легкий. Но для хранения водорода нужны тяжелые баллоны под огромным давлением или при температуре, близкой к абсолютному нулю. Ни то, ни другое не подходит ни для самолета, ни для автомобиля. Решение этой проблемы ищут материаловеды и физики по всему миру. Перспективную технологию предложили сотрудники Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" аспирант Александр Яковлев и профессор Константин Катин. Они изучили, как ловить молекулы водорода с помощью лития.
Преимущество лития заключается в том, что он является самым легким металлом. Ведь на топливный бак приходится часть веса самолета или машины. Раньше ученые пытались насыпать атомы лития на поверхность графена, карбида кремния и других материалов. Но здесь возникла проблема, что атомы металла собираются в комочки, как ртуть, и эффективность падает. В основе нового метода лежала идея использовать литий не в качестве добавки, а в качестве основы, в которой атомы расположены идеально благодаря структуре кристалла.
Ученые взяли разные материалы на основе лития, толщина которых составляла всего один атом. Выяснилось, что в LiOH на практике молекулы водорода почти не держатся. Оксиды лития показали себя лучше, но тоже не были идеальными вариантами. Одна из форм оказалась нестабильной, контакт с водородом разрушал материал. Другая форма вела себя достойно, но энергия связи с водородом была ниже необходимого порога.
Наилучшие характеристики показал карбид лития (Li3C). Его атомарная структура представляет собой плоскую решетку, где атомы углерода окружены атомами лития. Таким образом, молекулы водорода прилипают не слишком слабо, чтобы не улетучиться, и не слишком крепко, чтобы их можно было потом использовать как топливо.
Оптимальная энергия связи для хранения водорода насчитывает около 150-300 мэВ. У Li3C этот показатель составил 228 мэВ.
Кроме того, материал содержит много лития и не так много углерода, поэтому он легкий. На каждый килограмм такого губчатого листа можно накопить 60-80 граммов водорода. Современные баллоны высокого давления дают около 40-50 граммов на килограмм веса системы.
Литий в Li3C работает по принципу липучки. У атома лития есть свободные орбитали, которые принимают электроны от водорода. Водород делится электронной плотностью, и возникает слабая электрическая связь.
Ученые проверили это с помощью квантово-механических расчетов. Оказалось, что атом лития получает часть электронной плотности при контакте с водородом. Значит, действительно происходит перенос заряда, водород поляризуется и притягиваются к литию.
Водород должен выходить из ловушки при нагревании. Для Li3C температура отпускания водорода оказалась близка к комнатной. Это значит, что бак с таким материалом будет работать без дополнительного подогрева или охлаждения.
Ученые рассчитали, как будет вести себя материал при разных давлениях и температурах. При давлении 10-20 атмосфер и обычной температуре Li3C удерживает почти весь водород. При снижении давления водород высвобождается. Ученые называют Li3C перспективным материалом для водородной авиации, где каждый килограмм на счету. Возможно, в будущем баки пассажирских лайнеров будут заполнены не керосином, а такими литиевыми листами.
