Новости: Прочее (рубрикатор)

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)