Специалисты Томского политехнического университета в составе международной коллаборации создали перспективный композитный материал для хранения водорода в твердом виде. В основе разработки лежит применение синтезируемых авторами двумерных наноматериалов MXene (максенов). Политехники применили метод влажного смешивания, который позволил сохранить структуру каталитического двумерного материала и обладает потенциалом для масштабирования.
Водород считается одним из наиболее перспективных энергоносителей будущего благодаря высокой плотности энергии и экологичности. Однако широкое внедрение водородной энергетики сдерживается сложностями с безопасным и эффективным хранением газа. Существующие методы, такие как сжатие или сжижение, требуют высоких энергозатрат и несут риски, поэтому ученые все чаще обращаются к системам хранения водорода на основе гидридов.
Одним из привлекательных материалов для этой цели является гидрид магния. Однако он отличается высокой температурой дегидрирования (свыше 300 °C) и сравнительно медленной кинетикой поглощения/выделения водорода, из‑за чего его сложно использовать на практике.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами получили композитный материал на основе гидрида магния с добавлением максенов на основе карбида титана. Ключевое преимущество работы — использование простого и щадящего метода влажного смешивания в изопропаноле, который позволяет равномерно распределить нанолисты MXene на поверхности частиц гидрида магния, сохранив их слоистую структуру и необходимые активные поверхностные группы.
Эксперименты показали, что добавление всего 6 мас.% максенов снижает температуру начала дегидрирования с 325 °C до 218 °C. При этом энергия активации десорбции водорода уменьшилась с 189 кДж/моль для чистого гидрида магния до 70 кДж/моль для композита. Это ниже показателей многих аналогичных композитов, полученных более энергоемкими методами, например, шаровым измельчением, — рассказывает соавтор исследования, инженер лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Сунь Ичэнь.
Композит с содержанием максенов 6 мас.% показал стабильность в ходе пяти циклов сорбции/десорбции. Материал сохранил стабильную кинетику и продемонстрировал обратимую водородную емкость порядка более 6 мас.%. Для сравнения, водородная емкость чистого гидрида магния составляет порядка 7,6 мас.%.
В синтезируемых нами максенах мы можем формировать нужные каталитически активные поверхностные группы. В применяемом методе мы не используем высокоэнергетические процессы, а значит, метод проще для масштабирования и дальнейшего применения, — отмечает руководитель проекта, заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Егор Кашкаров.
Далее ученые планируют провести расширенные циклические испытания для оценки долговременной стабильности материала и детально изучить механизм каталитического действия.
В исследованиях принимали участие сотрудники лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Томского политеха, федерального университета Санта-Катарины (Бразилия) и университета Фридриха-Александра Эрлангена-Нюрнберга (Германия).
Исследование поддержано проектом молодежных лабораторий Министерства науки и высшего образования (грант № FSWW-2024–0001). Результаты работы опубликованы в журнале Hydrogen.
Фото: ТПУ
Источник: Минобрнауки России
