Разработана структура для хранения водорода
Ученые НИЯУ МИФИ предложили использовать для безопасного хранения водорода двумерный карбид лития. Вещество легко поглощает газ при его подаче и высвобождает при снижении давления или нагреве. Разработка позволяет решить проблему взрывоопасности и открывает новые возможности для развития водородной авиации.
Главный кандидат на роль экологически чистого топлива будущего — водород. Он не дает вредных выбросов, легкий и доступный. Проблема связана с его хранением — в тяжелых металлических емкостях под огромным давлением или при температурах, близких к абсолютному нулю. К тому же водород в таком виде чрезвычайно взрывоопасен.
Авторы предложили перспективное решение — использовать для хранения водорода двумерные (толщиной в один атом) материалы на основе лития. Лучше всего себя зарекомендовал карбид лития Li3C. Это плоская решетка, где атомы углерода окружены атомами лития.
По словам ученых, молекулы водорода прилипают к ней с нужной силой: не слишком слабо (чтобы не улетучиться) и не слишком крепко, чтобы их можно было использовать как топливо. Энергия связи у карбида лития — 228 мэВ. Идеальным для хранения водорода считается диапазон от 150 до 300 мэВ.
С точки зрения физики, литий в Li₃C работает как «липучка». У атома лития есть свободные орбитали, которые с легкостью принимают электроны от водорода. Ученые проверили результаты с помощью квантово-механических расчетов. Оказалось, что атом лития получает часть электронной плотности при контакте с водородом, то есть действительно происходит перенос заряда, водород поляризуется и притягиваются к литию.
Речь идет не о возникновении химической связи, а о физической адсорбции. При этом температура обратного процесса (десорбции), протекающего с выделением водорода, близка к комнатной. Это значит, что бак с таким материалом будет работать без дополнительного подогрева или охлаждения, а водород выходить — при простом открытии вентиля.
Ученые рассчитали, как будет вести себя материал при разных давлениях и температурах. Результаты показали: при давлении 10–20 атмосфер и обычной температуре Li₃C удерживает почти весь водород. Стоит снизить давление — отпускает. Идеально для топливного бака.
Еще одно важное преимущество предложенного материала — он невероятно легкий. Благодаря этому, по мнению исследователей, новая технология потенциально позволит отказаться от традиционных топливных баков в самолетах. Их функцию смогут выполнять элементы конструкции — например, детали крыла и фюзеляжа, способные выступать в роли хранилища энергетически емкого вещества и фактически «пропитываться» водородом.
По словам ученых, теоретический этап, когда были произведены сложнейшие квантовые расчеты на суперкомпьютерах, пройден. Впереди — синтез материала и создание первых прототипов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.
Источник: Пресс -служба Минобрнауки России