Результаты исследования химиков из Национальной лаборатории Лос Аламос, Тихоокеанской Северо-западной лаборатории и Национальной лаборатории Аргонн показывают, что при извлечении водорода из кристаллического борана аммония способ упаковки кристалла имеет значение.

Недавно было продемонстрировано, что новый метод – «функция распределения атомных пар» («atomic pair distribution function») может применяться для изучения влияния мезопористых материалов на инкапсулированные молекулы. Этот метод позволяет получить гораздо больше информации о природе нанофазных материалов, чем другие методики.

Ряд технических объектов, расположенных отдаленно от энергетических коммуникаций (антенны дальней коммуникационной связи, или резервные источники питания для экстренных ситуаций) только выиграют от создания источников питания с длительным временем действия. В то время, как такие источники питания, работа которых основана на обычных физических и химических системах достаточно громоздки, и не могут применяться повсеместно, водородные топливные ячейки могут решить проблему энергетического дефицита. Один из камней преткновения в разработке таких систем заключается в отсутствии систем контроля реакций, управляющих высвобождением и запасанием водорода.

Исследователи из трех ведущих лабораторий США начали свой поиск с экспериментов по синхротронной рентгеновской дифракции порошков борана аммония (NH₃BH₃), внедренного в мезопористый оксид кремния MCM-41, размеры пор в котором составляют от 2 до 50 нанометров. Эксперименты позволили получить дифракционную картину борана аммония в температурном интервале 80 – 300K.

Затем для расшифровки данных, полученных с помощью рентгеноструктурного анализа, применили метод функции распределения атомных пар. Как поясняет один из авторов исследования, Том Отри (Tom Autrey), функция распределения атомных пар позволяет получить картину распределения материала на наноуровне, определив характер взаимодействия между различными фрагментами смеси.

Было обнаружено, что боран аммония переходит из молекулярно-кристаллического вещества с высокой долей упорядоченности в аморфное состояние при 270K. При этом инкапсулированный боран аммония не подвергается структурному изменению, которое характерно для свободного борана при 225K.

Результаты исследования агрегата NH₃BH₃/SiO₂ c помощью функции распределения атомных пар наряду с ранее полученными данными, позволяют предположить, что упаковка из мезопористого оксида кремния может оказаться полезной для высвобождения молекулярного водорода водородосодержащими молекулами, уменьшая энергетические затраты на осуществление этой операции и позволяя получать водород с высокой степенью чистоты.

Cтроение боарана аммония, упакованного в силикагель (водород обозначен белыми сферами)

Отри и его коллеги давно пытаются приспособить мезопористый оксид кремния и сходные по строению материалы в новых подходах для активации молекулярного водорода. Активированный водород может использоваться для получения высококачественного биотоплива, конвертации углекислого газа в возобновляемое топливо без применения дорогих металокомплексных катализаторов.

Результаты работы опубликованы в American Chemical Society