Новая технология хранения водорода

Не за горами то время, когда автомобили будут заправляться не бензином, а водородом. Новые микропористые материалы, созданные американскими учеными, значительно приближают этот момент.

Как известно, запасы нефти и природного газа нашей планеты не безграничны. По грубым оценкам, часть горючих ископаемых может быть исчерпана уже через одно – два поколения. И это лишь один из факторов, которые заставляют учёных и не только ломать голову в поисках альтернативного топлива для автомобилей, лодок и т.п. – всего, что приводится в движение с помощью двигателей внутреннего сгорания.

Кандидатура номер один на замену традиционным видам топлива – водород. Идеальное, на первый взгляд, горючее: энергия, выделяемая при сгорании, по крайней мере, втрое больше таковой при окислении жидких углеводородов, а единственным побочным продуктом окисления является обычная вода. И, тем не менее, при всех вышеуказанных преимуществах, мы не наблюдаем победоносного шествия двигателей на водороде по планете. И причин тому несколько.

Не касаясь политико-экономических факторов, связанных с использованием нефти и параллельно воздействующих на темпы распространения водородных двигателей, следует отметить чисто технические проблемы.

Одной из них является технология аккумуляции водорода. В отличие от обычного бензина, водород не зальёшь просто в бак, или, подобно газу, не заправишь в баллон. Имея очень небольшой размер, молекула Н2 легко преодолевает практически любые преграды, просачиваясь сквозь металл или пластик.

В связи с этим, для удержания водорода используются специальные абсорбирующие материалы, которые впитывают его словно губка. Однако, до сих пор "потолком" накопления водорода было 2-4 % от собственной массы сорбента. Согласно существующим технологиям, водород связывается порошкообразными гидридами металлов при высокой температуре. В ноябре прошлого года группа сингапурских учёных предложила, правда, технологию, которая обеспечивает аккумуляцию более чем 11 % водорода от веса металлического реагента, однако для её реализации требуется высокая температура и давление. Другим перспективным направлением является использование углеродных нанотрубок, однако в этом случае требуются очень низкие температуры.

Согласно требованию, выдвинутому Министерством энергетики (Department of Energy, DOE) США, аккумуляция водорода должна составлять по крайней мере 6,5 % от веса вещества-носителя для того, чтобы он мог претендовать на место традиционных видов топлива.

В мае группа исследователей из нескольких американских университетов, в том числе Мичиганского, Университета Калифорнии, Университета Южной Флориды и Аризонского университета, на страницах журнала Science заявила об открытии новой группы микропористых материалов, которые относительно недороги и, возможно, в скором времени позволят достичь указанного предела накопления в 6,5 %. При этом аккумуляция возможна при нормальной температуре и относительно невысоком (10 атм.) давлении.

Предложенные материалы являются металлорганическими. В основе их строения лежит микроячейка, состоящая из атомов цинка, которые находятся в узлах "решётки" (на схеме – зелёные), и органических "перемычек" из производных бензола (голубыми шариками обозначены молекулы Н2). В данном случае в аккумуляции водорода основную роль играет не химический, а физический процесс - абсорбция. Физическая абсорбция – процесс обратимого поглощения газа или пара в капиллярах вещества, происходящий за счёт сил слабого взаимодействия между молекулами (Ван-дер-Ваальса). "Благодаря этому, - сообщает Омар Яджи (Omar Yaghi) из Мичиганского университета, - водород может накопляться в материале и извлекаться из него без каких-либо изменений в самом сорбенте… Молекулы водорода физически "притягиваются" к стенкам ячеек, что позволяет вместить значительное их количество в малом объёме без необходимости в экстремальных температурах или высоком давлении". По словам Яджи, поверхность ячеек металлорганических материалов достигает 3.000 метров на грамм вещества.

Также отмечается, что предлагаемые материалы являются весьма доступными, поскольку исходные реагенты – оксид цинка и терфталат (используется в производстве пластиковых бутылок) – относительно дёшевы и производятся в значительных количествах.

Пока ёмкость лучших вариантов металлорганических материалов, предложенных американскими учёными, составляла до 2 %. Однако Яджи выразил уверенность, что потенциальная ёмкость материалов значительно выше, и они намерены постепенно достичь заявленного Министерством энергетики предела его содержания в сорбентах. Эксперименты в данном направлении связаны в первую очередь с модификацией упомянутого бензольного производного компонента ячеек.

Сейчас учёные работают над повышением водородной ёмкости предложенных материалов, а также над изучением собственно механизмов данного процесса. Ожидается, что вещества, отвечающие производственным требованиям, могут быть готовы уже через 3-5 лет.