Разработан материал для водородной инфраструктуры

Водородная энергетика в России развивается: строятся заправочные станции и проектируются поезда на новом топливе. Однако для массового внедрения необходимо решить главную проблему: как безопасно и экономично хранить и перевозить водород. Его молекулы способны проникать в стенки металлических eмкостей, постепенно делать материал хрупким и увеличивать риск опасных утечек и аварий. Существующие решения остаются слишком затратными, сложными или неэффективными для повсеместного использования. Ученые Пермского Политеха впервые в мире разработали новый композитный материал на основе модифицированного графита для этих целей. Технология производства безопасна, управляема и основана на отечественных компонентах. Это открывает путь к созданию нового поколения лeгких, прочных и герметичных eмкостей для российской водородной инфраструктуры.

Статья опубликована в научном журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника». Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, проект FSNM-2023-0004 «Водородная энергетика. Материалы и технология хранения, транспортировки и применения водорода и водородсодержащих смесей».

Водород — это уникальное топливо будущего. При его сгорании образуется только вода без вредных выбросов. Именно эта чистота открывает газу путь в те отрасли, где возможности электричества ограничены. Так, в Швеции строят первый в мире завод по производству стали на водородной технологии, что позволит сократить выбросы CO₂ на 80–90%. Ключевое преимущество — высокая энергоeмкость: водород содержит в три раза больше энергии на килограмм, чем бензин. Это нужно для авиации, морских перевозок и другого дальнего транспорта, где критически важен вес топлива.

Объем мирового рынка в 2024 году оценивался в 204,5 миллиарда долларов, к 2034 прогнозируется рост до 603,3 миллиарда. Сейчас «Росатом» на Сахалине совместно с партнёрами работает над созданием первой в России системы водородных пассажирских поездов, для которой обеспечит топливо и заправочную инфраструктуру.

Молекула водорода очень маленькая, под высоким давлением она проникает в структуру металла, что приводит к его «водородному охрупчиванию». Поэтому традиционные стальные eмкости и трубопроводы ненадeжны и опасны. Хотя сам по себе этот газ не является парниковым, его выброс в атмосферу косвенно усиливает изменение климата.

Несмотря на огромные перспективы, водород пока значительно дороже традиционных видов топлива, таких как бензин или природный газ. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью его хранения и транспортировки.

Сейчас нет технологичных, безопасных и дешeвых накопителей — специальных eмкостей, способных эффективно хранить водород, не давая ему утекать или разрушать материал. Существующие решения — либо слишком дорогие (композитные баллоны высокого давления, металлогидридные материалы, углеволокно) и зависимые от импорта, либо очень сложные (криогенное хранение при температуре -253 °C). Сейчас этот технологический барьер сдерживает массовое распространение водорода как топлива, несмотря на огромные объeмы инвестиций в эту отрасль.

Один из перспективных вариантов решения — нанести на поверхность защитное покрытие, основой которого часто являются полимеры. Они активно используются в быту: из них изготавливаются пластиковые бутылки, полиэтиленовые пакеты, некоторые виды одежды, эпоксидная смола. Для защиты от коррозии таких покрытий часто оказывается достаточно, но подавляющее большинство полимеров, лаков и красок проницаемы для водорода.

Однако в полимерную матрицу можно внести наполнители. Представьте, что мы, например, в той же эпоксидной смоле размешаем и равномерно распределим крошку кирпича и затем отвердим. Полученный блок станет прочнее, его свойства изменятся. Для такой роли могут подойти углеродные материалы: они экологичные, недорогие, нетоксичные, не реагируют с водородом и обладают развитой поверхностью для его удержания.

Учeные Пермского Политеха предложили использовать особый материал —терморасширенный графит, в качестве главного компонента нового защитного покрытия. Исследователи впервые в мире разработали способ его модификации для водородной энергетики, чтобы сделать процесс производства безопаснее, а внутреннюю структуру материала — более пористой.

Терморасширенный графит — это доступный, лёгкий и высокопористый углеродный материал. Его получают путeм резкого нагрева химически обработанного графита, в результате чего он вспучивается, многократно увеличивается в объeме и образует внутри множество микропор. Эта уникальная структура обеспечивает ему выдающуюся впитывающую способность, что уже много лет используется в промышленности, например, для сбора нефтяных разливов.

Традиционный промышленный способ получения такого графита в печах даeт неоднородный материал с примесями. Для надeжного удержания водорода же требуется очень чистый и предсказуемый по структуре продукт. Хотя материал давно используют в других сферах, его применение именно в качестве модифицированного наполнителя для защитных полимерных покрытий ранее не изучалось.

— Ключевая идея заключается в том, чтобы использовать развитую пористую структуру терморасширенного графита как «каркас» или носитель для специальных добавок, которые будут эффективно блокировать водород. Для создания такого материала с заданными свойствами мы разработали новую методику, позволяющую синтезировать и модифицировать его даже в полевых условиях с помощью специального пиротехнического состава, — объясняет заведующая кафедрой «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ, профессор, доктор технических наук Людмила Хименко.

Чтобы обеспечить безопасное срабатывание, долгий срок хранения и формирование идеальной пористой структуры исследователи подобрали три компонента.

— Первый — гексацианоферрат калия, это добавка-«огнетушитель», которая подавляет излишнее пламя, делая реакцию спокойной и безопасной. В ходе экспериментов мы выяснили, что для достижения эффекта достаточно всего 0.2–3% этой добавки от общей массы состава. Второй —карбоксиметилцеллюлоза, она предотвращает впитывание влаги, обеспечивает сохранность смеси при хранении, её добавляли до 10%. А третий — графеновый материал — помогает сформировать более совершенную структуру, его мы вводили в пропорциях от 0.1% до 4.2%. Также один из компонентов состава обрабатывали дополнительными окислителями, что позволило полностью исключить отказ срабатывания состава. Все эти вещества недорогие и производятся в России, — отмечает заведующая кафедрой «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ, профессор, доктор технических наук Людмила Хименко.

На втором этапе в поры полученного терморасширенного графита внедряются соединения-барьеры — оксиды алюминия или хрома. Затем этот модифицированный наполнитель вводится в полимерную матрицу вместе с алюминиевым порошком, что создает многоуровневую защиту. Именно такая структура призвана значительно повысить устойчивость полимерных покрытий в резервуарах и трубопроводах к действию водорода.

Исследование учeных Пермского Политеха предлагает простое и доступное решение для водородной энергетики. Ученые усовершенствовали технологию получения специального пористого графита, сделав еe безопаснее и дешевле благодаря отечественным добавкам. Разработанный состав-генератор решает и проблему громоздкого оборудования. Он позволяет получать ТРГ с развитой структурой непосредственно на месте, а предварительное распределение окислителей гарантирует быстрое и полное протекание реакции. На основании можно разрабатывать прочные и лeгкие композитные eмкости, способные надeжно удерживать водород. Это важный шаг к практическому и экономичному повсеместному использованию водорода как топлива в России.

Источник: Пресс-служба ПНИПУ