Физики из Троицка изучили материал, способный адсорбировать водород в значительных количествах, намного превышающих критерии Министерства энергетики США. В перспективе открытие может быть полезно для более выгодной транспортировки водорода, который становится всё более популярен в качестве альтернативного топлива.

Графан с присоединёнными атомами щелочных металлов как возможный высокоэффективный сорбент для молекулярного водорода (атомы углерода отмечены малиновым, атомы металла – синим, а водорода – серым цветом). Здесь и далее фото ТИСНУМ

Водород многие называют топливом будущего. Он энергетически эффективен и при сгорании выделяет воду, а не вредный для экологии планеты углекислый газ. Космическая система «Шаттл» уже использует водород как топливо для блоков разгона. Применяется водород и для запуска ракеты-носителя «Энергия», предназначенной для доставки на орбиту сверхтяжёлых грузов. Компания Boeing построила и успешно испытала первый в мире пилотируемый самолёт на водородных топливных элементах. C 2001 года развитые страны принимают крупные государственные программы в области водородной энергетики. Кроме того, многие отрасли промышленности используют водород для очистки нефти и для синтеза аммиака и метанола.

Транспортируется водород в баллонах в газообразной или жидкой форме, что невыгодно для широкого коммерческого использования. Поэтому учёные ищут новые материалы, способные эффективно аккумулировать водород. Изначально внимание физиков привлекли углеродные наноструктуры – фуллерены, графен, нанотрубки. Их преимущество – в малом весе и большой удельной площади поверхности. Однако вскоре выяснилось, что водород слишком слабо взаимодействует c углеродной поверхностью. Это не позволяет применять в водородной энергетике чисто углеродные наноструктуры.

Был предложен выход – использовать структуры с адсорбированными на них атомами металлов. Они играют роль сорбента для молекул водорода, а углеродные наноматериалы служат для них основой. Таким образом, уменьшение в размере материала основы увеличит плотность адсорбции водорода. Следует также заметить, что ограничивающим фактором в выборе основы является не только малый вес, но и запрет на кластеризацию атомов металла. Например, они легко слипаются на углеродной поверхности, что значительно снижает эффективность поглощения.

Научные сотрудники московского ФГБНУ «Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ТИСНУМ) рассмотрели в качестве возможного сорбента для водорода двумерный материал графан с присоединёнными атомами щелочных металлов.

Графан был впервые синтезирован путём гидрирования графена – особой формы углерода, представляющей собой лист толщиной в один атом. За открытие графена Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию. Структура графана – это лист графена с адсорбированными атомами водорода на каждом атоме углерода. При этом свойства графана и графена значительно отличаются друг от друга из-за разного типа связи между атомами углерода.

В работе, опубликованной в журнале Physical Review B, авторы из ТИСНУМ рассмотрели графан с присоединёнными атомами лития, натрия и калия. На них и может адсорбироваться молекулярный водород. Авторы замечают в статье, что проблема агрегирования (связывания) атомов металлов в кластеры на графане отсутствует. Это связано с тем, что каждый атом углерода связан с водородом, что ограничивает движение металла по поверхности графана.

Первичная оценка сорбционной способности предложенной структуры показала, что она может адсорбировать до 4 молекул водорода на один атом металла, что соответствует примерно 10 весовым процентам содержания водорода. При этом процессом сорбции-десорбции водорода можно управлять, регулируя температуру и давление.

Для прикладного использования отдельные двумерные листы должны быть структурированы в объёмный материал. Авторы предположили, что комплекс металл-графан может образовывать трёхмерные пористые сетки.

Пористый материал на основе графана с присоединёнными атомами щелочных металлов

Было показано, что такая структура может удерживать до 6,1 весового процента водорода, что составляет 0,074 килограмма молекулярного водорода на 1 литр.

Заметим, что данные значения превосходят не только текущие общепринятые критерии, выдвинутые Министерством энергетики США (4,5 весового процента H2, 0,028 кг/л), но и перспективные, планируемые на 2017 год (5,5 весового процента H2, 0,040 кг/л).

Главный автор работы – н.с., к.ф.-м.н. Любовь Антипина. Работа выполнена под руководством с.н.с., к.ф.-м.н. Павла Сорокина (ТИСНУМ) в сотрудничестве с членами группы молекулярной спинотроники Японского атомного энергетического агентства.