Ученые синтезировали полые наносферы из кварцевого стекла (диоксида кремния) для хранения молекулярного водорода. При этом соотношение водорода к диоксиду кремния составило 0,94 — это максимальное на сегодняшний день содержание водорода в кварцевом стекле. Заполнение наносфер водородом авторы проводили при повышенном давлении, которое, тем не менее, не повлияло на форму сфер. Разработанные структуры потенциально могут использоваться для безопасного хранения водорода — перспективного «зеленого» топлива. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Fuel.
Водород все чаще рассматривается в качестве экологически чистой альтернативы ископаемому топливу. Так, при сжигании этого газа не образуется способствующий парниковому эффекту углекислый газ. Однако транспортировка и хранение водорода связаны с трудностями, поскольку до сих пор нет системы для его максимально компактной «упаковки». При этом потенциальный материал для хранения должен вмещать большие количества водорода, быстро поглощать и выделять его, а также состоять из доступных соединений.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка) предложили хранить водород в полых наносферах из диоксида кремния — из этого соединения состоит опал и кварцевое стекло. Для получения частиц авторы использовали шарообразный синтетический шаблон из органического стекла. На нем с помощью химической реакции между водой и кремнийсодержащим органическим соединением сформировали оболочки из диоксида кремния. После этого шаблон органического стекла выжигали нагревом до нескольких сотен градусов и формировали непроницаемую для многих веществ (кроме водорода) оболочку кварцевого стекла. Диаметр полученных полых наносфер составил 289 нанометров, что сопоставимо с размером многих вирусов, а толщина оболочки — 25 нанометров.
Фотографии синтезированных образцов. Источник: Вадим Ефимченко.
Полученные полые наносферы исследователи насыщали 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: 29,8% водорода помещается в полости сфер, а остальная часть — в их оболочках.
Анализ показал, что при нормальном внешнем давлении и температуре -193°С (выше этой температуры водород быстро покидает наносферы), молекулы водорода образуют в полостях наносфер газ, а в их оболочках — твердый раствор. При этом плотность газа в полостях наносфер в 52 раза превышает его плотность при нормальном давлении. Согласно данным, полученным методом сканирующей электронной микроскопии, заполнение наносфер водородом при высоком давлении не повлияло на их форму.
Процесс изучения синтезированных образцов. Источник: Вадим Ефимченко.
Затем ученые решили проверить, как долго синтезированные частицы способны удерживать водород при хранении в жидком азоте — в условиях очень низкой температуры (-196°С). Оказалось, что после пребывания наносфер в жидком азоте при нормальном давлении содержание водорода в них снизилось на 14% за три дня, но затем перестало меняться. Таким образом, полученные наносферы потенциально могут использоваться для длительного хранения и транспортировки 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 нами сферы могут быть хорошим вариантом решения этой задачи, поскольку в них можно поместить большое количество водорода. Также важно отметить, что диоксид кремния — экологичный и доступный материал. Кроме того, изотопы водорода — дейтерий и тритий — считаются основными компонентами топлива для управляемого термоядерного синтеза, способного дать человечеству неисчерпаемый источник энергии. Синтезированные нами 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 РНФ, Вадим Ефимченко, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией физики высоких давлений Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН.
Фото на обложке: камера высокого давления для насыщения образцов водородом. Автор: Вадим Ефимченко. Источник: РНФ
