Ученые синтезировали полые наносферы для хранения молекулярного водорода

Ученые из Института физики твердого тела РАН синтезировали полые наносферы из кварцевого стекла для хранения молекулярного водорода. Разработка позволила в течение длительного времени удерживать H₂ в условиях низких температур.
Несмотря на то, что водородная энергетика активно развивается, коммерческому использованию H₂ по-прежнему мешает сложность его хранения и транспортировки. На промышленном уровне пока что нет материалов, из которых можно сделать резервуары большого объема для хранения водорода и его легкого высвобождения.
Одно из возможных решений этой проблемы принадлежит ученым из Института физики твердого тела РАН, которые предложили удерживать водород в полых наносферах из диоксида кремния. Это кремнезем (SiO₂), из которого состоит кварцевое стекло. Для получения наносфер использовался шарообразный прототип из органического стекла, который должен был придать форму будущему "хранилищу" водорода.
На первом этапе ученые создали оболочку из диоксида кремния, проведя химическую реакцию между водой и содержащим кремний органическим соединением на поверхности прототипа. Обжиг прототипа и окружающей его оболочки при температуре в несколько сотен градусов позволил получить емкость из кварцевого стекла, непроницаемого для многих веществ, за исключением водорода. Диаметр полученных полых наносфер составил 289 нанометров, а толщина оболочки насчитывала 25 нанометров.
Затем ученые провели эксперимент, в ходе которого насыщали полученные наносферы водородом при температуре в 140 градусов Цельсия и давлении в 75 тысяч бар. По итогам эксперимента соотношение водорода к диоксиду кремния составило 0,94. Это максимальное на сегодняшний день содержание водорода в кварцевом стекле. Доля водорода в полости сфер составила меньше трети, а остальная часть оказалась в их оболочках.
Анализ показал, что при нормальном внешнем давлении и температуре минус 193 градуса Цельсия (выше этой температуры водород быстро покидает наносферы), молекулы водорода образуют в полостях наносфер газ, а в их оболочках оказывается твердый раствор. При этом плотность газа в полостях наносфер в 52 раза превышает его плотность при нормальном давлении. Заполнение наносфер водородом при высоком давлении не повлияло на их форму.
В рамках исследования ученые решили проверить, как долго синтезированные частицы способны удерживать водород при хранении в жидком азоте, то есть при очень низкой температуре. Оказалось, что в этих условиях содержание водорода в наносферах за первые три дня снизилось на 1%, но затем перестало меняться. Следовательно, полученные наносферы могут использоваться для длительного хранения и транспортировки газообразного водорода.
Диоксид кремния представляет собой экологически чистый и доступный материал. Кроме того, такие изотопы водорода, как дейтерий и тритий, считаются основными компонентами топлива для управляемого термоядерного синтеза, способного дать человечеству неисчерпаемый источник энергии. Синтезированные учеными сферы могут также быть сосудами для дейтерия и трития, использоваться в качестве перспективных топливных мишеней в управляемом инерционном термоядерном синтезе, технологии которого активно развиваются в мире.