Созданные модели. Источник: Вадим Ефимченко
В результате синтеза учеными пустых наношаров из кварцевого стекла (диоксида кремния) удалось достичь максимального содержания водорода в этом материале – 0,94 по отношению к диоксиду кремния. Заполнение наношаров водородом осуществлялось под давлением, однако это не повлияло на их форму. Полученные структуры могут применяться для безопасного хранения водорода – перспективного «зеленого» топлива. поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Fuel.
Водород всё чаще рассматривают в качестве экологически чистой альтернативы традиционным источникам энергии. Сжигание этого газа не приводит к образованию углекислого газа, который способствует парниковому эффекту. Однако транспортировка и хранение водорода сталкиваются с трудностями из-за отсутствия системы его максимально компактного размещения. Потенциальный материал для хранения должен вмещать большие объёмы водорода, быстро поглощать и выделять его, а также состоять из доступных соединений.
Ученые из Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (Черноголовка) предложили Хранение водорода возможно в полых наносферах из диоксида кремния, используемых в опале и кварцевом стекле. Исследователи создавали частицы с помощью шарообразного синтетического шаблона из органического стекла. Химическая реакция между водой и кремнийсодержащим органическим соединением формировала оболочки из диоксида кремния на шаблоне. Затем шаблон выжигали нагревом до нескольких сотен градусов, создавая непроницаемую для многих веществ (кроме водорода) оболочку кварцевого стекла. Диаметр полученных полых наносфер составил 289 нанометров, что сравнимо с размером многих вирусов, а толщина оболочки — 25 нанометров.
Исследователи заполняли полученные полые наносферы водородом при давлении в 75 000 раз выше атмосферного и температуре 140°С. Авторы показали, что соотношение «упакованного» в образцах водорода к диоксиду кремния составляет 0,94, то есть их количество оказалось практически равным (частицы на 48,5% были заполнены водородом). Это самое высокое количество водорода, когда-либо растворенное в «упаковках» из различных силикатов. Исследователи выяснили, что 29,8% водорода помещается в полости сфер, а остальная часть — в их оболочках.
Установка для наполнения образцов водородом под высоким давлением.
Исследование выявило, что при нормальном атмосферном давлении и температуре -193°С (выше этой отметки водород быстро покидает наноструктуры) молекулы водорода образуют в пространствах внутри наносфер газ, а в их оболочках — твердый раствор. При этом концентрация газа в полостях наносфер в 52 раза выше, чем при нормальном давлении. Согласно результатам сканирующей электронной микроскопии, заполнение наносфер водородом под высоким давлением не изменило их форму.
Ученые изучили способность синтезированных частиц удерживать водород при хранении в жидком азоте при температуре -196°С. Через три дня содержание водорода в наносферах снизилось на 14%, после чего перестало изменяться. Это открывает возможность использования полученных наносфер для долговременного хранения и перевозки газообразного водорода.
Водород — одно из самых перспективных веществ для зеленой энергетики. Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода — одна из ключевых проблем водородной энергетики. Разработанные сферы могут быть хорошим вариантом решения этой задачи, поскольку в них можно поместить большое количество водорода. Важно отметить, что диоксид кремния — экологичный и доступный материал. Кроме того, дейтерий и тритий считаются основными компонентами топлива для управляемого термоядерного синтеза, способного дать человечеству неисчерпаемый источник энергии. Синтезированные сферы могут быть сосудом и для дейтерия, и для трития, и использоваться в качестве перспективных топливных мишеней в управляемом инерционном термоядерном синтезе, технологии которого активно развиваются в мире. — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, Вадим Ефимченко, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией физики высоких давлений Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук.
Пресс-служба Российского научного фонда предоставила информацию и фотографии.