Южноуральские ученые придумали чудо-материал для водородной энергетики
14 Августа 2020
Фото: официальный сайт ЮУрГУ
Компьютерная модель выявила ценные свойства наноуглерода для хранения взрывоопасного газа.
Новый материал, смоделированный на молекулярном уровне южноуральскими учеными, может стать решением проблемы хранения водорода для автотранспорта будущего. По их мнению, создание компактных и надежных водородных хранилищ из легированного литием углеродного материала — карбина позволит использовать дешевую и экологически чистую энергию в автотранспорте и инфраструктуре «умных» мегаполисов.
Запасы нефти когда-нибудь закончатся, и человечеству придется перейти на альтернативные природные источники энергии, например, солнце или ветер. Причем «зеленая» энергетика — это реальная возможность уйти от загрязнения воздуха бензиновыми выхлопами. Но как хранить и транспортировать такую энергию? Над решением этой суперзадачи века сейчас ломают голову ученые всего мира. Один из вариантов — «запрячь» водород, который может стать эффективным и экологически чистым энергоносителем. Это хоть и не вечный двигатель, но с почти неограниченным запасом топлива.
«Водород — самый распространенный на Земле элемент, а при его сгорании в двигателе автомобиля будут образовываться безвредные вода и углекислый газ, — говорит профессор ЮУрГУ, доктор физико-математических наук Валерий Бескачко. — Но для удобства его применения, чтобы не допустить взрыва, необходимы компактные и безопасные хранилища, в которых можно перевозить горючее. Существующие технологии сжижения и хранения водорода под давлением не позволяют создать емкости, которые бы соответствовали этим требованиям. Мы ведем научный поиск материала для принципиально новых водородных хранилищ — твердотельных».
Исследователи нашли выход: использовать для водородных хранилищ так называемые углеродные наноматериалы. Их легко производить, они обладают высокой термической и химической стабильностью, причем инертны и почти не связывают водород. Как выяснили ученые, таких особо ценных свойств можно добиться, если на поверхность пористого углеродного материала добавить более активные вещества, к примеру, легируя его литием. Такой углеродный материал, карбин, уже синтезирован, но не было известно, обладает ли он свойствами, необходимыми для создания водородных хранилищ.
«Мы провели компьютерное моделирование, которое подтвердило нашу гипотезу: такой материал хорошо удерживает водород и способен накапливать его в нужных количествах, — сообщила аспирант кафедры физики наноразмерных систем Екатерина Аникина. — Исследование проводили с использованием суперкомпьютеров и программного обеспечения, разработанного кандидатом физико-математических наук Сергеем Созыкиным».
По словам ученых, компьютерное моделирование позволяет протестировать огромное количество материалов и выбрать обладающие необходимыми свойствами. Благодаря этому затраты времени, уходящие на эксперименты, сокращаются в разы. Результаты, которые исследователи получили для легированного литием карбина, подтверждают его особую ценность как «стройматериала» для водородных хранилищ.
«Основу этого материала составляют карбиновые нити — углеродные цепочки, обладающие рекордной удельной поверхностью и высокой прочностью, но способные удерживать водород только при очень низких температурах, — пояснил Валерий Бескачко. — Атомы лития, напротив, хорошо связываются с карбином и в то же время удерживают водород, чтобы образовавшийся многосоставный комплекс не распадался при «комнатной» температуре водородных хранилищ. Проще говоря, литий играет роль своего рода клея для молекул водорода, которые сам карбин удержать не может».
Ученые продолжают изучение материалов, обладающих необычными свойствами, которые могут пригодиться для создания водородных хранилищ. По их словам, уже на подходе первые итоги новых исследований, которые они озвучат в ближайшее время.
Запасы нефти когда-нибудь закончатся, и человечеству придется перейти на альтернативные природные источники энергии, например, солнце или ветер. Причем «зеленая» энергетика — это реальная возможность уйти от загрязнения воздуха бензиновыми выхлопами. Но как хранить и транспортировать такую энергию? Над решением этой суперзадачи века сейчас ломают голову ученые всего мира. Один из вариантов — «запрячь» водород, который может стать эффективным и экологически чистым энергоносителем. Это хоть и не вечный двигатель, но с почти неограниченным запасом топлива.
«Водород — самый распространенный на Земле элемент, а при его сгорании в двигателе автомобиля будут образовываться безвредные вода и углекислый газ, — говорит профессор ЮУрГУ, доктор физико-математических наук Валерий Бескачко. — Но для удобства его применения, чтобы не допустить взрыва, необходимы компактные и безопасные хранилища, в которых можно перевозить горючее. Существующие технологии сжижения и хранения водорода под давлением не позволяют создать емкости, которые бы соответствовали этим требованиям. Мы ведем научный поиск материала для принципиально новых водородных хранилищ — твердотельных».
Исследователи нашли выход: использовать для водородных хранилищ так называемые углеродные наноматериалы. Их легко производить, они обладают высокой термической и химической стабильностью, причем инертны и почти не связывают водород. Как выяснили ученые, таких особо ценных свойств можно добиться, если на поверхность пористого углеродного материала добавить более активные вещества, к примеру, легируя его литием. Такой углеродный материал, карбин, уже синтезирован, но не было известно, обладает ли он свойствами, необходимыми для создания водородных хранилищ.
«Мы провели компьютерное моделирование, которое подтвердило нашу гипотезу: такой материал хорошо удерживает водород и способен накапливать его в нужных количествах, — сообщила аспирант кафедры физики наноразмерных систем Екатерина Аникина. — Исследование проводили с использованием суперкомпьютеров и программного обеспечения, разработанного кандидатом физико-математических наук Сергеем Созыкиным».
По словам ученых, компьютерное моделирование позволяет протестировать огромное количество материалов и выбрать обладающие необходимыми свойствами. Благодаря этому затраты времени, уходящие на эксперименты, сокращаются в разы. Результаты, которые исследователи получили для легированного литием карбина, подтверждают его особую ценность как «стройматериала» для водородных хранилищ.
«Основу этого материала составляют карбиновые нити — углеродные цепочки, обладающие рекордной удельной поверхностью и высокой прочностью, но способные удерживать водород только при очень низких температурах, — пояснил Валерий Бескачко. — Атомы лития, напротив, хорошо связываются с карбином и в то же время удерживают водород, чтобы образовавшийся многосоставный комплекс не распадался при «комнатной» температуре водородных хранилищ. Проще говоря, литий играет роль своего рода клея для молекул водорода, которые сам карбин удержать не может».
Ученые продолжают изучение материалов, обладающих необычными свойствами, которые могут пригодиться для создания водородных хранилищ. По их словам, уже на подходе первые итоги новых исследований, которые они озвучат в ближайшее время.
Поделиться
