Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) провели теоретический расчёт параметров микроскопических реакционных механизмов для гидрида алюминия и предложили иную интерпретацию ранее известных фактов.

Водород, самый простой и наиболее распространенный на Земле элемент, — это ещё и многообещающий источник энергии для начавшей наконец бурно развиваться «зелёной» энергетики.

Он является эффективным энергоносителем (при окислении водорода выделяется запасённая энергия), который делает возможным изготовление топливных ячеек для электромобилей, а также может использоваться в качестве хранилища избыточной энергии, полученной в часы наименьшего потребления. Основная сложность заключается в необходимости поиска одновременного решения для двух плохо совместимых задач: нужно достичь высочайшей плотности хранения водорода при обеспечении эффективной кинетики выхода этого газа (когда в нём возникает потребность).

Учёным из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, кажется, удалось пролить новый свет на кинетику выхода водорода (дегидрогенизирование) из гидрида алюминия AlH₃ — многообещающего материала, используемого в качестве водородного хранилища. Кроме того, проведённая компьютерная симуляция дала довольно полное представление об основных механизмах, управляющих подобными реакциями.

Рис. 1. Кластеризация водородных вакансий в гидриде алюминия: тёмно-синим помечены атомы Al в обычной решётке гидрида, а светло-синим — Al в кластере, обогащённом алюминием. (Иллюстрация Van de Walle Group / UCSB).

Популярность гидрида алюминия в качестве хранилища запасённой «водородной» энергии основывается на двух его свойствах — большой скорости выхода водорода (при достижении определённых условий) и высоком кинетическом барьере, который предотвращает возможность слишком уж быстрого релиза.

Ларс Измер (Lars Ismer) и Андерсон Джанотти (Anderson Janotti), вооружившись методами компьютерного моделирования, теоретически исследовали микроскопические механизмы, которые управляют высвобождением водорода из гидрида алюминия. Целью расчётов было изучение того, каким образом индивидуальные атомы водорода диффундируют сквозь гидрид алюминия — процесс, который осуществляется за счёт создания водородных вакансий. Отчёт о работе они представили в Journal of Physical Chemistry C.

Водородные вакансии — точечные дефекты, играющие очень важную роль, поскольку именно они делают диффузию возможной. Если бы каждый атом находился на своём месте, то всякое движение было бы исключено. И наоборот, если в одном из узлов кристаллической решётки атома нет, соседний атом может «перепрыгнуть» на вакантное место, обеспечивая перемещение водорода сквозь материал. Определив ключевые параметры, необходимые для проведения наиболее точных расчётов, исследователи применили их для симуляции по кинетическому методу Монте-Карло процесса выхода водорода, который оставляет за собой кластеры алюминиевых атомов. Компьютерная модель получилась настолько реалистичной, что исследователи могли буквально отслеживать процессы нуклеации и роста алюминиевой фазы, а также скорость, с которой водород покидал своё прежнее место хранения.

Точность построенной модели позволила калифорнийским учёным идентифицировать лимитирующий скорость механизм, которым оказался сам процесс диффузии.

Поначалу казалось, что этот результат противоречит выводам, которые можно было сделать, используя традиционную интерпретацию наблюдаемого S-образного изгиба на экспериментальной кривой процесса дегидрогенизирования, исключающую диффузию из набора ограничивающих общую скорость процесса факторов. Однако, как показали сами исследователи,

симуляция давала кривую реакции, находившуюся в полном согласии с экспериментальными данными, и это лучшее доказательство того, что именно диффузия водорода посредством точечных дефектов и есть механизм, лимитирующий скорость.