Для повышения уровня качества водородных источников энергии коллектив ученых из университета Беркли (Калифорния) предложили использовать нанокристаллы магния, инкапсулированные в ПММА (полиметилметакрилат) для защиты последних от окисления.

Ни для кого не секрет, что вододородная энергетика продолжает оставаться наиболее вероятной альтернативой нефти и газу благодаря целому ряду преимуществ. Однако на практике исследователям довольно трудно найти материал, который, с одной стороны, мог бы достаточно прочно связывать водород для образования стабильной фазы, а с другой мог его с относительной легкостью выделять при небольшом повышении температуры. До недавнего времени считалось, что гидриды металлов (и, в частности, магния) не подходят для хранения водорода из-за относительно высоких энтальпий их образования. Однако наноразмерное структурирование может значительно дестабилизировать MgH₂ (что приведет к уменьшению энтальпии образования) и улучшить кинетику поглощения водорода (за счет уменьшения длины диффузионного пробега).

Рис. 1. а) ПЭМ-микрофотография высокого разрешения композита нанокристалл магния/ПММА. На вставке распределение частиц по размерам. b) Микрофотография отдельного композита. c) Дифрактограмма композита. d) РФА-диаграммы сразу после синтеза композита и спустя три дня, подтверждающие устойчивость композита к окислению.

Свое видение решения сложившейся проблемы представил на суд научной общественности коллектив ученых из университета Беркли (Калифорния), которые предложили использовать нанокристаллы магния, инкапсулированные в ПММА (полиметилметакрилат), защищающий нанокристаллы от окисления. Для этого исследователи смешали ди(циклопентадиенил) магния с нафталидом лития и ПММА в ТГФ (тетрагидрофуран), после чего в растворе методом «взрывной» нуклеации были выращены нанокристаллы магния в полимерной оболочке. Подбор подходящей полимерной матрицы был далеко не тривиален, поскольку высокой селективностью пропускания водорода обладает узкий круг материалов, и ПММА – один из немногих.

Рис. 2. Сравнение поглощения водорода полученным композитом и порошком магния. На вставке изображены циклы абсорбции/десорбции композита при 200^oС.

На основании исследования изотерм абсорбции ученые выяснили, что емкость полученного ими композита составила 5,97 % в пересчете на массу магния (что составляет 78,6 % от теоретической емкости магния). Если же рассчитать объемную емкость, то она превосходит таковую для сжатого воодорода (50 г/л против 30 г/л), что делает рассматриваемый композит привлекательной заменой баллонам с водородом.

Рис. 3. Спектры характеристических потерь энергии электронами, разрешенные по времени.

Для доказательства того, что композит поглощает водород именно с образованием гидрида магния (а, например, не за счет сорбции) авторы статьи сняли спектры характеристических потерь энергии электронами (EELS), разрешенные по времени. При нулевом времени на спектрах хорошо различимы два пика, соответствующие чистому магнию и гидриду. С течением времени, интенсивность пика, соответствующего гидриду, постепенно падает, пока полностью не исчезнет спустя 300 с. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что водорода был запасен именно в форме гидрида.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Ki-Joon Jeon, Hoi Ri Moon, Anne M. Ruminski, Bin Jiang, Christian Kisielowski, Rizia Bardhan & Jeffrey J. Urban Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. – Nature Materials. – 2011. – V.10. – P. 286–290; doi:10.1038/nmat2978.