Розділені нанотрубками шари нітриду бору збільшать ефективність зберігання водню

Американські хіміки запропонували новий матеріал для зберігання водню, який складається з плоских шарів гексагонального нітриду бору, розділених між собою нанотрубками з цієї ж сполуки. За допомогою комп'ютерного моделювання вчені показали, що при кімнатній температурі навіть без введення додаткових іонів металів такий матеріал може пов'язувати до 8,65 масових відсотка водню - це рекордне значення для недопійованих матеріалів. За ємністю такий комплексний нітрид бора поступається тільки матеріалами на основі гідридів металів, але при цьому помітно перевершує їх за швидкістю та енергією зв'язування водню, пишуть вчені в.

Один з найбільш перспективних видів екологічно чистого палива для джерел живлення - водень. Саме окислення водню до води використовується для отримання електроенергії в більшості паливних елементів. Одна з проблем використання водню пов'язана з його зберіганням: молекула водню дуже маленька, тому, щоб водень при високих тисках, наприклад, не проникав крізь стінки балонів, для зберігання необхідно використовувати матеріали, які пов'язують водень хімічно. Зазвичай для цього використовуються метали, для яких характерне зворотне утворення гідридів, зокрема магній і літій, проте такі матеріали вимагають досить високих температур і тисків для зв'язування і звільнення водню і роблять це занадто повільно.

Як альтернативні матеріали, які здатні пов'язувати не меншу кількість водню, ніж гідриди металів, але при цьому перевершують їх за своїми кінетичними і термодинамічними властивостями, вчені пропонують кілька різних варіантів: метал-органічні каркаси, вуглеводні, пористі вуглецеві сполуки, в тому числі графен. Однак поки їхня ємність залишається досить невисокою, і при кімнатній температурі масова частка зв'язаного водню в цих матеріалах не перевершує восьми відсотків.

Американські хіміки з Університету Райса Рузбех Шахсаварі (Rouzbeh Shahsavari) і Шо Чжао (Shuo Zhao) запропонували для зберігання водню використовувати інший акціонерний кристал - нітрид бора. Відомо, що нітрид бору здатний адсорбувати водень краще більшості вуглецевих матеріалів, але основне завдання, яке треба вирішити для оптимізації його використання - правильний підбір структури матеріалу, яка дозволяє звернемо пов'язувати великий відсоток водню (як за масою, так і за обсягом) при кімнатній температурі. У цій роботі вчені розглянули матеріал незвичайної архітектури, в якому окремі плоскі шари гексагонального нітриду бору з'єднані між собою «колонами», які являють собою нанотрубки з того ж нітриду бору. Дослідження проводилося за допомогою комп'ютерного моделювання, яке включало в себе квантово-хімічні розрахунки і статистичне моделювання методом Монте-Карло.

Вчені досліджували кілька модифікацій такого матеріалу, змінюючи частоту розташування бір-нітридних колон і їх довжину, а також додатково вводячи в структуру матеріалу іонів літію, які за рахунок утворення гідридів підвищують масу водню, який можна зв'язати. Ефективність матеріалу в якості поглинача водню автори роботи оцінили при різних температурах і тисках.

Виявилося, що найбільш ефективними поглиначами водню служать бор-нітридні матеріали з висотою колон близько 1 нанометра і відстанню один від одного близько 2,6 нанометрів. При кімнатній температурі і тиску в 100 атмосфер такі матеріали в чистому вигляді здатні пов'язувати до 5,5 відсотка водню за масою і більше 30 відсотків - за обсягом. При охолодженні до температури рідкого азоту як масова, так і об'ємна частка водню підвищується в півтора - два рази: і перша досягає 13 відсотків, а друга - перевершує 60. При цьому при зниженні температури різко підвищується ефективність матеріалу зі збільшеною довжиною колон.

Крім того, якщо в структуру нітриду бора додатково вводити літій, то ємність матеріалу по масі для кожного з матеріалів збільшується приблизно на 2 відсотки, а ємність за обсягом - приблизно на 20 відсотків.

Автори роботи відзначають, що вимірена за допомогою моделювання максимальна масова частка водню, який можна пов'язати за допомогою запропонованого матеріалу в чистому вигляді при кімнатній температурі, склала 8,65 відсотків - це рекордне значення для недопійованих металами матеріалів. Це значення поступається аналогічним показникам на основі гідридів металів, але при цьому нітрид бору помітно виграє у гідридів по швидкості та енергії зв'язування і звільнення водню. Крім того, такий матеріал можна використовувати, наприклад, в якості матриці для окремих іонів або навіть наночастинок металів, збільшуючи сумарну ємність матеріалу.

Іноді для отримання матеріалів для зберігання водню пропонують використовувати і досить незвичайні джерела. Зокрема, нещодавно британські вчені розробили спосіб отримання пористого вуглецевого матеріалу для зберігання водню з сигаретних недопалків. При температурі рідкого азоту такий матеріал здатний поглинати більше 10 масових відсотків водню.