Плотнее твердого

Как известно, главным препятствием на пути к водородной энергетике является проблема эффективного хранения этого взрывоопасного газа. Результаты, полученные двумя группами учёных, внушают надежду на её решение.

Обнадеживающие результаты, связанные одной общей задачей, получили две независимые группы американских ученых. И хотя эти совершенно разные исследования весьма далеки от практических приложений, они удивительно органично дополняют друг друга и внушают надежду, что приемлемые способы эффективного и безопасного хранения водорода вскоре будут найдены.

Как известно, главным препятствием на пути к экологически идеальной водородной энергетике является проблема эффективного хранения этого легкого и взрывоопасного газа. Чтобы водород как следует сжать в обычном баллоне, необходимо слишком высокое давление, в результате чего такая тара получается чересчур тяжелой и опасной. Сжижается водород лишь при очень низкой температуре -253 градуса Цельсия, и охлаждать, а затем хранить его в холодильнике весьма накладно. Поэтому главные усилия ученых сосредоточены на поиске способов связывания водорода на поверхности или в объеме тех или иных соединений. Но и тут далеко не все гладко.

Например, на развитой поверхности пористого вещества водород можно либо адсорбировать за счет слабых связей, которые не разрушают молекулу H2 и определяются поляризацией электронных оболочек молекул, либо хемосорбировать отдельные атомы водорода, затратив энергию на разрушение молекулы и установление сильных химических связей между атомами водорода и атомами поверхности. В первом случае молекулы водорода удается удерживать на поверхности лишь при более−менее низких температурах, а это значит, что опять придется тратиться на холодильник. А при втором, химическом способе водород, наоборот, держится слишком крепко, и чтобы его оторвать, приходится расходовать энергию на нагрев поверхности до температуры несколько сотен градусов. Нужно искать что−то среднее. Кроме того, поверхность пор должна быть большая, а водород на ней должен упаковываться достаточно плотно.

Выдающихся результатов тут удалось добиться объединенной команде из Университета Мэриленда, Калифорнийского технологического института и Национального института стандартов. Ученые упаковали молекулы водорода даже плотнее, чем в твердом водороде. Для этого была использована одна из активно изучаемых в последние годы металлоорганических структур MOF−74. Она похожа на шестигранную соломку, состоящую в основном из атомов углерода с рядами ионов цинка, идущими вдоль ее внутренней поверхности. Соломка образует плотные кристаллики, один грамм которых имеет площадь пор, равную площади двух баскетбольных площадок. Молекулы водорода адсорбируются внутри соломки, и при температуре жидкого азота (-196 градусов) их плотность побила все известные рекорды, превысив плотность твердого водорода.

Структура MOF-74 позволила упаковать водород чрезвычайно плотно

Пока ученым не очень понятно, почему внутри MOF−74 водород пакуется так плотно. По−видимому, здесь важную роль играют именно ионы цинка. И все же необходимое охлаждение для практических приложений неудобно и дорого. И теперь ученые активно работают над повышением рабочей температуры, достаточной для плотной упаковки водорода.

А в этом уже преуспели физики из Вирджинского университета в Шарлоттсвилле. Тамошние исследователи опирались на предсказания ряда теоретических работ, в которых утверждалось, что атомы переходных металлов вроде титана способны удерживать до пяти молекул водорода, если их изолировать друг от друга с помощью углеводородных наноструктур. Чтобы проверить теорию, экспериментаторы лазером испаряли титан в атмосфере этилена (C2H4) и осаждали получающиеся металлоорганические комплексы на поверхности акустического сенсора массы. Этот сенсор способен точно измерять массу осажденного или адсорбированного на нем вещества путем регистрации изменения резонансной частоты своих собственных колебаний, которая уменьшается с увеличением массы.

После того как нанограммы титан−этиленовых комплексов осаждались на сенсоре, остатки этилена удаляли и в камеру запускали водород или дейтерий. Измерения показали, что при комнатной температуре комплексы способны удерживать молекулы водорода в количестве до 12-14% от своей массы. И хотя результат великолепный, это лишь полдела, поскольку пока непонятно, как эти комплексы станут отдавать водород при нагреве. Теперь нужно научиться получать титан−этиленовые комплексы в достаточном количестве и создать из них удобную пористую структуру с высокой плотностью упаковки. То есть сделать примерно то, чего уже добились авторы предыдущей работы.

Вот если бы результаты обеих групп удалось сложить вместе, то проблема хранения водорода, возможно, была бы уже решена. К сожалению, не все так просто: весьма оптимистичные выводы работ придется еще долго доводить до практических приложений. Но когда это удастся сделать, долго работающие на топливных элементах от одной водородной заправки сотовые телефоны, ноутбуки и автомобили компенсируют все многолетние усилия ученых.