Идеи хранения водорода в наноструктурах продолжают активно развиваться. И если энтузиазм экспериментаторов несколько поубавился, то теоретики не устают прорабатывать все новые варианты. Моделирование подтверждает, что рано опускать руки, вот несколько примеров.

Рис.1. Схематическое изображение контейнера для водорода.

Теоретики из Гонконга и Шанхая предложили изысканную конструкцию наноконтейнера для хранения водорода при давлении внутри контейнера порядка 1 - 3 ГПа. 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. 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. 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 нанотрубка диаметром примерно 1.5 нм. 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 массовых % водорода, при этом после снятия внешнего давления молекулы водорода надежно заперты внутри при комнатной температуре.

Рассматривая возможные схемы заполнения водородом контейнеров, китайские ученые 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.

Рис. 2. Одна из наиболее стабильных структур комплекса Ti-C60, где атом Ti (черный) связывает 4 молекулы водорода (темно-серые) (а); локальная структура двойной связи Ti- C60 (b); замещение конечных атомов углерода на Н дает молекулу этилена. Это означает, что для связывания атомов титана можно просто использовать молекулу этилена (с)..

Другой вариант предлагают турецкие и американские ученые: 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 800 К. При 300 К все 10 молекул водорода связаны с С₂H₄Ti₂, но при температурах выше 300 К начинают десорбироваться, и при 800 К 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. Таким образом всем известный и недорогой этилен может служить основой для разработки эффективных систем хранения водорода.

Источник информации - заметка О.Алексеевой в бюллетене ПерсТ, выпуск 7 за 2007 г.