Миграцию водорода в слое чистого магния изучали методом электронной спектроскопии в камере сверхвысокого вакуума в Дюбендорфе. Фото: Empa / AB / IFJ PAN
Легко быть оптимистом в отношении водорода как идеального топлива. Гораздо сложнее придумать решение абсолютно фундаментальной проблемы: как эффективно хранить это топливо? Швейцарско-польский коллектив физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков нашел ответ на вопрос, почему предыдущие попытки использовать для этой цели перспективный гидрид магния оказались неудовлетворительными и почему они могут добиться успеха в будущем.
Водород уже давно рассматривается как энергоноситель будущего. Однако прежде чем это станет реальностью в энергетическом секторе, необходимо разработать эффективные методы его хранения. Материалы, выбранные таким образом, чтобы при низких затратах энергии в них можно было сначала впрыскивать водород, а затем восстанавливать его по требованию, желательно в условиях, аналогичных тем, которые типичны для нашей повседневной среды, представляются оптимальным решением.
Многообещающим кандидатом для хранения водорода является магний. Однако для его преобразования в гидрид магния требуется достаточно эффективный катализатор, который еще не найден.
Работа группы ученых из Empa — Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий в Дюбендорфе, химического факультета Цюрихского университета, а также Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове показал, что причина многолетних неудач до этого момента лежит в неполном понимании явлений, происходящих в магнии при нагнетании водорода.
Основным препятствием на пути использования водорода в качестве источника энергии является сложность его хранения. В пока еще редких автомобилях с водородным двигателем он хранится в сжатом виде под давлением около 700 атмосфер. Это не самый дешевый и не самый безопасный метод, и к эффективности он имеет мало отношения: в одном кубическом метре содержится всего 45 кг водорода. В этом же объеме может поместиться 70 кг водорода, если его предварительно сконденсировать.
К сожалению, процесс сжижения требует большого количества энергии, и во время хранения необходимо поддерживать чрезвычайно низкую температуру, около 20 Кельвинов. Альтернативой могут быть подходящие материалы; например, гидрид магния, способный удерживать до 106 кг водорода в кубическом метре.
Гидрид магния — один из самых простых материалов, протестированных на способность аккумулировать водород. Его содержание может достигать 7,6% (по массе). Поэтому устройства на основе гидрида магния довольно тяжелые и поэтому подходят в основном для стационарного применения. Однако важно отметить, что гидрид магния — очень безопасное вещество, и его можно хранить без риска; например, в подвале, а сам магний — легкодоступный и дешевый металл.
«Исследования по включению водорода в магний продолжаются десятилетиями, но они не привели к решениям, которые можно было бы рассчитывать на более широкое использование», — говорит профессор Збигнев Лодзяна (IFJ PAN), физик-теоретик, соавтор исследования. статья в Передовая наука, где представлены последние открытия.
«Одним из источников проблем является сам водород. Этот элемент может эффективно проникать в кристаллическую структуру магния, но только тогда, когда он присутствует в виде отдельных атомов. Чтобы получить его из типичного молекулярного водорода, нужен катализатор, достаточно эффективный, чтобы сделать процесс Требуется быстрая и энергетически жизнеспособная миграция водорода в материале. Поэтому все искали катализатор, отвечающий вышеуказанным условиям, но, к сожалению, без особого успеха. Сегодня мы наконец знаем, почему эти попытки были обречены на провал».
Профессор Лодзиана разработал новую модель термодинамических и электронных процессов, происходящих в магнии при контакте с атомами водорода. Модель предсказывает, что при миграции атомов водорода в материале образуются локальные термодинамически стабильные кластеры гидрида магния. На границах между металлическим магнием и его гидридом происходят изменения электронной структуры материала, и именно они играют существенную роль в уменьшении подвижности ионов водорода.
Иными словами, кинетика образования гидрида магния определяется в первую очередь явлениями на границе его раздела с магнием. Этот эффект до сих пор не учитывался при поиске эффективных катализаторов.
Теоретическая работа профессора Лодзианы дополняет эксперименты, проведенные в швейцарской лаборатории в Дюбендорфе. Здесь в камере сверхвысокого вакуума изучалась миграция атомарного водорода в слое чистого магния, напыленного на палладий. Измерительная аппаратура была способна регистрировать изменения состояния нескольких внешних атомных слоев исследуемого образца, вызванные образованием нового химического соединения и связанными с ним преобразованиями электронной структуры материала. Модель, предложенная исследователями из IFJ PAN, позволяет нам полностью понять результаты эксперимента.
Достижения швейцарско-польской группы физиков не только открывают путь к новому поиску оптимального катализатора гидрида магния, но и объясняют, почему некоторые из найденных ранее катализаторов показали более высокую эффективность, чем ожидалось.
«Многие позволяют предположить, что отсутствие значительного прогресса в хранении водорода в магнии и его соединениях произошло просто из-за нашего неполного понимания процессов, связанных с транспортировкой водорода в этих материалах. На протяжении десятилетий мы все искали лучшие катализаторы, “только не туда, куда нам следует смотреть. Теперь новые теоретические и экспериментальные результаты позволяют снова с оптимизмом думать о дальнейшем совершенствовании методов введения водорода в магний”, – заключает профессор Лодзиана.
Предоставлено Польской академией наук