Хранение водорода все ещё остается узким местом при переходе к водородной энергетике и, в особенности, к транспорту на водороде. В основном водород хранят в жидком виде или газообразном под давлением. Однако не прекращаются поиски новых эффективных материалов – аккумуляторов водорода.

В августе этого года Министерство энергетики США объявило о вложении в соответствующие исследования 15,3 миллионов долларов на 5 лет. Было отобрано 10 проектов, среди которых изучение и создание нанопористых сорбентов, углеродных материалов с высокой удельной поверхностью [1]. Действительно, ученые в разных странах по-прежнему считают, что идеальными кандидатами для хранения водорода могут быть новые углеродные материалы, и продолжают раскрывать их возможности. Особенно активны теоретики. Результаты работ [2–4] показали, что открытые недавно углеродные «наносвитки» (рис.1) способны абсорбировать водород в заметных количествах, особенно после введения добавок щелочных металлов, которые «раздвигают» поверхности в наносвитке.

Рис.1. Углеродные наносвитки – аккумуляторы водорода [3]

При увеличении межслоевого расстояния от примерно 3,4 до 6,4 ангстрем сорбционная емкость растет от 2,5 масс.% (что само по себе уже немало) до 5,5 масс.% водорода при 150 К и давлении 1 МПа (при более высоком давлении результат может быть лучше) [2,3]. По образному определению авторов работы [2] мы имеем «раздувающиеся чемоданы» для водорода. Теоретические исследования [4], проведенные группой G.E. Froudakis'а в University of Crete (Греция), с использованием различных моделей и методов моделирования показали, что добавки лития в наносвитки увеличивают сорбционную емкость водорода от 0,19 до 3,31 масс.% при комнатной температуре и нормальном давлении! Причем роль лития, по мнению ученых, не ограничивается увеличением доступного пространства. Моделирование для наносвитка с межслоевым расстоянием около 8 ангстрем показало, что без лития сорбция водорода остается на уровне 0,19 масс.%.

Греческие теоретики не остановились на достигнутом и спроектировали современную камеру хранения для водорода (рис.2) [5]. Предлагаемый ими новый материал состоит из графеновых слоёв, которые поддерживаются углеродными нанотрубками (УНТ) как колоннами.

Рис.2. Новый трехмерный углеродный материал – «графен с колоннами» («pillared graphene»), предложенный в [5] для хранения водорода

Результаты теоретического исследования оказались просто замечательными. Продемонстрировано, что при добавлении Li гравиметрическая емкость этого нового материала при нормальных условиях достигает 6,1 масс.% (рис.3), а объемная – 41 г Н₂/л (рис.4), что практически соответствует целям министерства энергетики США для транспорта (6 масс.% и 45 г/л) на 2010 г. (эти цифры служат ориентиром для исследователей разных стран). Без добавок лития результаты, как и полученные ранее для наносвитка [4], гораздо хуже.

Рис.3. Гравиметрическая емкость водорода (масс.%) для графена, УНТ, чистого «графена с колоннами» и «графена с колоннами» с добавками лития: а – 77К, b – 300 К

Рис.4. Объемная емкость водорода (г/л) для графена, УНТ, чистого «графена с колоннами» и «графена с колоннами» с добавками лития: а – 77К, b – 300 К

Насыщение при росте давления наступает достаточно быстро, что тоже важно для безопасного применения на транспорте. Кадры компьютерного моделирования заполнения водородом прекрасного «колонного зала» приведены на рис.5. Видно, как увеличивается количество водорода при добавлении Li.

Рис.5. Кадры компьютерного моделирования сорбции водорода в новом материале (77 К, 3 атм): а – без лития, b – с добавками лития. Водород показан зеленым цветом, литий – фиолетовым

Так авторы реализовали свою идею – разработать прочный материал с большой поверхностью и регулируемым размером пор. Этот материал, конечно, может применяться не только для хранения водорода. Пока это только красивый проект, но ученые рассчитывают на скорую поддержку экспериментаторов. Ведь за последнее время многие удивительные углеродные наноструктуры, например «нанопочки» (нанотрубки с фуллеренами) [6], стали реальностью.

О. Алексеева

• 1. http://www.nanowerk.com/…sid=6840.php
• 2. V.P.Coluci et al., Phys. Rev. B 75, 125404 (2007)
• 3. S.F.Braga et al., Chem. Phys. Lett. 441, 78 (2007)
• 4. G.Mpourmpakis et al., Nano Lett. 7, 1893 (2007)
• 5. G.K.Dimitrokakis et al., Nano Lett. 8, 3166 (2008)
• 6. ПерсТ 14, вып.5, с.1 (2007)