Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Конструкция из углеродной нанотрубки и двух фуллеренов для хранения водорода.
Рис. 2. Одна из наиболее стабильных структур комплекса Ti-C60, где атом Ti (черный) связывает 4 молекулы водорода (темно-серые) (а); локальная структура двойной связи Ti-C60 (b); замещение конечных атомов углерода на Н дает молекулу этилена. Это означает, что для связывания атомов титана можно просто использовать молекулу этилена (с).
Рис. 3. Стабильная структура комплекса Ti-этилен с поверхностью графена (С2H4Ti2 адсорбирован над и под центром гексагона графенового слоя).

Водород в наноструктурах? Ищем!

Ключевые слова:  периодика, углеродный материал, хранение водорода

Опубликовал(а):  Трусов Л. А.

16 февраля 2007

Идеи хранения водорода в наноструктурах продолжают активно развиваться. И если энтузиазм экспериментаторов несколько поубавился, то теоретики неожиданно углубились в мир изощренных высоких технологий. Моделирование подтверждает, что рано опускать руки. Судите сами. Вот несколько примеров. Теоретики из Chinese Univ. Hong Kong Shatin и Fudan Univ., Shanghai (Китай) предложили изысканную конструкцию наноконтейнера для хранения водорода при давлении внутри контейнера ~ 1-3ГПа [1]. Как же можно использовать такой контейнер на практике – ведь, к примеру, хранение водорода на борту автомобиля требует умеренных давлений и температуры вблизи комнатной? Ответ простой – найти структуры, которые могут удерживать водород в сжатом состоянии даже после сброса внешнего давления. Авторы [1] напоминают об экспериментальном факте – водород под высоким давлением был внедрен в междоузлия льда и оставался там после снятия давления, правда, при температуре 140К [2]. А для предложенного ими нового контейнера годится и комнатная температура. Что же это за конструкция? Она состоит из трех частей (рис. 1). Во-первых, сам наноконтейнер делается из одностенной углеродной нанотрубки (ОСНТ). Затем внутрь помещают две молекулы фуллерена (образуя известный «гороховый стручок»). Третья часть – две «крышки» на концах нанотрубки. Под высоким давлением газообразный водород просачивается через них внутрь. Затем внешнее давление снимают, а внутреннее давление выталкивает фуллерены в концы трубки, где они перекрывают выход водороду, запирая его внутри. По сути, фуллерен и «крышка» являются наноклапаном.

Авторы проверили работоспособность своей конструкции с помощью моделирования. Оптимальной для контейнера оказалась (20,0) ОСНТ диаметром ~ 15Å. Для блокировки использованы две молекулы фуллерена С60. Обычно нанотрубка на концах закрыта полусферами фуллеренов и, удалив из них путем травления несколько атомов, можно создать условия для натекания газа внутрь. Детальные вычисления показали, что при внутреннем давлении 2,5 ГПа емкость по водороду приближается к 7,7 масс.% водорода, при этом после снятия внешнего давления молекулы водорода надежно заперты внутри при комнатной температуре.

Рассматривая возможные схемы заполнения водородом контейнеров, авторы [1] приходят к выводу, что для практических целей будет проще продавать уже заполненные в промышленных условиях контейнеры и ставить их на автомобиль. Таким образом, не потребуется строительство водородных заправок на трассах. Конечно, возникает вопрос – а как извлекать водород? Авторы предполагают, что поможет функционализация и химическая модификация. Это, однако, предмет будущих исследований – а пока представлен концептуальный проект.

Ранее турецкие (Bilkent Univ., Ankara) и американские (Natl. Inst. Standards and Techn., Gaithersburg и Univ. Pennsylvania) теоретики в совместном цикле статей показали, что декорирование ОСНТ и молекул C60 атомами легких переходных металлов может позволить создать высокоемкие (в случае Ti - до ~ 8 масс.%) адсорбенты водорода [3]. Развивая свои идеи, они представили новые и (по словам самих авторов) замечательные результаты. Они предложили совершенно новый подход к разработке материалов для хранения водорода [4]. Авторы не отказались от своих предыдущих результатов, но поскольку никто из экспериментаторов не поспешил их подтвердить (видимо, синтезировать надлежащим образом декорированные титаном ОСНТ или C60 оказалось очень трудно), они предложили использовать комплекс переходный металл–этилен! В поисках более эффективного и реального способа хранения они обнаружили, что двойная связь С=С молекулы этилена С2H4 воспроизводит двойные связи C60, которые сильно связывают атом переходного металла (рис. 2). Вычисления из первых принципов [4] действительно показали, что одна молекула этилена может образовать стабильный комплекс – и не с одним, а даже с двумя атомами переходного металла, например, титана (С2H4Ti2), и затем обратимо связывать до 10 молекул водорода, что дает … ~ 14 масс.%! Стабильность комплекса была исследована в диапазоне температур от 300 до 800К. При 300К все 10 молекул водорода связаны с С2H4Ti2, но выше 300К начинают десорбироваться, и при 800К остается только стабильная молекула С2H4Ti2. Таким образом, водород можно легко извлекать путем нагрева. Для того, чтобы избежать димеризации и полимеризации при циклировании, авторы предлагают вводить предложенные комплексы в нанопористые материалы на основе углерода. В качестве примера они рассмотрели графеновый слой (рис. 3). Таким образом всем известный и недорогой этилен может служить основой для разработки эффективных систем хранения водорода.

Ну а что же экспериментаторы? Тут результаты пока скромнее, но тоже сообщается об успехах. Японские исследователи синтезировали композит, состоящий из сферических частиц кремния диаметром 300нм, покрытых углеродными нанотрубками диаметром 5-10нм и длиной около 30нм [5]. Величина сорбционной емкости для водорода достигла 2.5масс.% при 10МПа и 283К. Несмотря на довольно большое содержание Si, сорбционная емкость которого пренебрежимо мала, композит поглощает гораздо больше водорода, чем чистые многостенные нанотрубки (в предыдущих исследованиях авторы показали, что их емкость не превышает 1масс.%) или SiC. Пока механизм повышения сорбционной емкости не ясен, но авторы надеются разобраться в нем в ближайшем будущем. Во всяком случае, получен новый материал с интересными свойствами.

1. X.Ye et al. Carbon 45, 315 (2007)

2. W.L.Mao et al. Proc.Nat.Acad.Sci.USA 101, 708 (2004)

3. ПерсТ 12, вып. 23, 15 декабря 2005, с. 2. (T.Yildirim, S.Ciraci. Phys.Rev.Lett. 94, 175501 (2005); T.Yildirim et al. Phys.Rev.B 72, 153403 (2005))

4. E. Durgun, S.Ciraci et al. Phys.Rev.Lett 97, 226102 (2006)

5. T. Ishihara et al. Sci&Techn. Advan. Mater. 7, 667 (2006)


Источник: ПерсТ



Комментарии

Прекрасно! А что хранить можно только водород?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Ежики
Ежики

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.