• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
17 апреля
Сколтех
11
7 736

Топливо будущего «упрятали» за решетку нового вещества

4.4

Исследователи из Сколтеха, Института кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН и научных центров Китая, Японии и Италии нашли материал, способный вбирать и удерживать в своем объеме в четыре раза больше водорода, чем другие известные вещества для «химического хранения» этого экологичного топлива. В будущем на водороде могли бы работать промышленное производство и транспорт, а водородные накопители уже внедряются для балансирования нагрузки на электросеть. Сложность в том, что водород плохо поддается хранению — в решение этой проблемы и внесли вклад авторы нового исследования.

В исследовании рассматривались насыщенные водородом соединения, которые образуются при очень высоком давлении из водорода (двухатомные молекулы — «гантели») и рубидия или цезия. Стронций был предметом изучения одной из предыдущих работ научной группы / © Дмитрий Семенок, Сколтех

Работа опубликована в журнале Advanced Energy Materials. Ожидается, что водород будет играть важную роль в низкоуглеродной экономике будущего. Его можно производить с помощью возобновляемых источников энергии и использовать для выработки электроэнергии и тепла в топливных элементах, двигателях, промышленных печах. Это экологичное топливо пригодится на производстве стали, стекла и химикатов, в контейнерных перевозках и в целом для транспорта, а также для сглаживания колебаний спроса и предложения в сети электроснабжения, в том числе в контексте непредсказуемой ветровой и солнечной генерации.

Одно из главных препятствий для широкого применения водорода в энергетике — отсутствие безопасной, экологичной и экономичной технологии хранения этого чрезвычайно легкого (в 14 раз легче воздуха), химически активного, взрывоопасного и склонного к утечкам газа. При накоплении и транспортировке в газовых баллонах, цистернах, криогенных резервуарах и трубопроводах водород сжимают или сжижают; можно даже превратить его в твердое тело — кристалл из молекул H2. Но возникает ряд трудностей.

Во-первых, такого рода манипуляции с водородом крайне энергозатратны: на сжатие и охлаждение тратится порядка 20–40 процентов той энергии, которую в итоге можно будет получить от самого топлива. Во-вторых, даже в уплотненном виде водород содержит примерно вдвое меньше энергии на единицу объема, чем природный газ — сжатый или сжиженный — хотя энергии на единицу массы в водороде намного больше, чем в любом другом химическом топливе. Это особенно неудобно для транспорта. В-третьих, у водорода самые маленькие молекулы — они легко утекают из контейнеров и даже проникают внутрь металлических стенок (диффузия), делая их хрупкими и вызывая образование трещин.

«Альтернатива — химические накопители, — объясняет выпускник аспирантуры Сколтеха по программе „Науки о материалах“ Дмитрий Семенок, один из первых авторов исследования. — Некоторые материалы, например сплавы магния и никеля или циркония и ванадия, могут удерживать водород в пустотах между атомами металлов, которые образуют кристаллическую решетку. В такие „аккумуляторы“ можно упаковать достаточно много водорода, безопасно его хранить и высвобождать по мере надобности путем нагрева. Но, хотя имеющиеся сплавы можно продолжать совершенствовать с точки зрения условий закачки и извлечения водорода, а также ресурса циклов зарядки и разрядки, существует достаточно жесткое ограничение главного показателя: в эти сплавы вряд ли удастся втиснуть больше двух-трех атомов водорода на атом металла».

«В синтезированных нами соединениях — гептагидриде цезия CsH7 и нонагидриде рубидия RbH9 — помещается аж семь или девять атомов водорода соответственно на один атом металла. Причем мы рассчитываем, что это будут первые столь насыщенные водородом материалы, устойчивые при атмосферном давлении, хотя для строгого подтверждения нужны дополнительные эксперименты. Как бы то ни было, доля атомов водорода в этих веществах выше, чем в любых известных гидридах, существующих при нормальных давлениях, — вдвое выше, чем в метане CH4», — добавил Семенок.

Научный руководитель исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов, заведующий Лабораторией дизайна материалов, рассказал, как устроен эксперимент: «Богатое водородом твердое вещество боразан (боран аммиака NH3BH3) реагирует с цезием или рубидием. Получается соль — амидоборан цезия или рубидия. При нагревании соль разлагается на моногидрид цезия или рубидия и большое количество водорода. Поскольку эксперимент проходит в ячейке с алмазными наковальнями, которые обеспечивают давление в 100 тысяч атмосфер, выделившийся водород втискивается в пустоты кристаллической решетки низших гидридов с образованием полигидридов: гептагидрида цезия и двух вариантов нонагидрида рубидия с разной топологией кристаллической структуры».

По словам исследователей, цезию и рубидию с их большими атомными радиусами «предначертано» участвовать в водородной аккумуляции, ведь объем пустот в кристаллической решетке из-за этого особенно велик. Образование в ходе эксперимента полигидридов этих металлов согласуется с предсказаниями компьютерных моделей и расчетами на основе фундаментальных законов физики, а также подтверждается рентгеноструктурным анализом, рамановской спектроскопией и, наконец, спектроскопией отражения и пропускания в алмазных камерах, задействовать которую стало возможным благодаря вкладу в исследование научного сотрудника Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха Дениса Санникова.

Коллектив собирается повторить эксперимент в большем масштабе с использованием гидравлического пресса. Таким образом ученые хотят получить полигидриды цезия и рубидия в большем количестве и при меньшем давлении (10 тысяч атмосфер), а также убедиться, что эти соединения, в отличие от других известных полигидридов, останутся устойчивы при снижении давления вплоть до атмосферного. Эксперименты под высоким давлением поддержаны грантом Российского научного фонда.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Сегодня, 08:35
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

18 мая
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

Позавчера, 17:46
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

Сегодня, 08:35
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

18 мая
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

Позавчера, 17:46
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[miniorange_social_login]

Комментарии

11 Комментариев

Пишут, что сжатие водорода очень энергозатратно, но предлагают опять-таки высоким давлением 100000 или 10000 атмосфер загонять водород в гидриды цезия или рубидия. Не понял: надо предварительно получать боразан (боран аммиака NH3BH3) ? Кстати, цена металлических цезия и рубидия более 6000 долларов за кг. Мировое производство металлического цезия порядка 9 тонн (инфа 2022 года), а рубидия около 7 тонн
«По словам исследователей, цезию и рубидию с их большими атомными радиусами «предначертано» участвовать в водородной аккумуляции...» И стоимость такого аккумулятора выйдет с «крыло самолёта»? / Хотя, гипотетически, для вывода КА на орбиту сей газ неплох: уд. теплоёмкость в 2,5 раза выше, чем у метана, и в три - чем у керосина. + в 14раз легче воздуха (при н.у.), довольно дёшев в производстве, при сгорании не образует побочных продуктов, кроме H²O...
    Pesos
    17.04.2024
    -
    0
    +
    Виктор, дохлый помер. Будущее за одноразовыми твердотопливными ускорителями и возвращаемыми ступенями
    +
      ещё комментарии
      Виктор
      17.04.2024
      -
      0
      +
      >дохлый помер XD Pesos, на досуге тут прикинул: q(H²)≈140МДж/кг (при н.у., ρ~0,09кг/м³). Рекордный аэростат 12-го, 14-го года был 850тыс.м³(Не) с ~1500кг ПН на ±40км. Это ж получается, если его заправить H², то, думаю, можно и все 50км выжать, или при 40км удвоить ПН. Оставшиеся до линии Кармана 50км, уже́ подняться за счёт реактивной тяги: Q=140*850тыс.*0,09≈11*10⁶ МДж 0_о / А поскольку окислитель всё равно придётся везти с собой, и за стратопаузой уже́ можно забить на экологию, то и кислород получаетя не без альтернатив: q(Н² во фторе)=430МДж/кг 8-) / ++ наверняка, герметичный лёгкий баллон сейчас смогут сделать и >1млн.м³; / +++ поиграться с температурой сжигаемого (поднимаемого=) газа (по теплопроводности он, кстати, рекордсмен) => можно будет ещё насколько-то увеличить подъёмную силу/тягу... / P. S.Обеспечить многоразовость - вообще элементарное дело: пустой, можно сказать, готовый парашют.
        Pesos
        18.04.2024
        -
        0
        +
        Виктор, прикинуть возню с аэростатами достаточно легко, это большие затраты при малой отдаче, выйти в плюс малореально. Начальный разгон ракетоносителя из подземной шахты и дальнейший на башне при помощи противовесов до высоты, где излишне гасить звуковые волны вполне может принести результат в плане сохранения топлива
          Виктор
          19.04.2024
          -
          0
          +
          Pesos, не думаю, что там уж очень большая возня. Основной ограничитель - высокая ветровая нагрузка. + Н2, в качестве наполнителя баллона, взрывоопасен - для заброса «живой силы» не подойдёт. Но для вывода спутников итд - самое то. / О, насчёт противовесов ранее слышать не доводилось! Была идея: разгонная «тележка» = катапульта для космоплана, приводимая в движение маховиком, через гидро- или электро-трансформатор, по гиперболической траектории (по типу горки для прыжков с трамплина).
            Pesos
            3 недели назад
            -
            0
            +
            Виктор, Если противовесы поднимать ветряками, ничего более бюджетного в принципе найти не возможно) схема полётов ближайшего будуююющего именно такая, по крайней мере до тех пор пока не войдёт в повседневность антигравитация с телепортацией
              Pesos
              3 недели назад
              -
              1
              +
              Задал вопрос голой науке, сколько расходуется топлива на первые тысячу метров от земли при старте ракеты, есть ли данные хотя бы по одному ракетоносителю. Желающих ответить не нашлось
              Виктор
              3 недели назад
              -
              0
              +
              Pesos, на днях чисто случайно попалось видео в ЮТ как испытывают разгонные блоки на Земле: ставят КА на тележку, врубают движки и пускают по наклонному рельсу вверх (аналог горки для горнолыжного спуска, только наоборот). В конце горки разгонный блок с макетом ПН летит вверх, тележка, соответственно, в пропасть...
        Игорь
        3 недели назад
        -
        2
        +
        Виктор, В аэростате на 1 млн м3 в идеале (поскольку их не заправляют на земле под завязку, чтобы было куда раздуваться при падении давления на высоте) около 90 т водорода. Чтобы его сжечь, нужно в 8 раз больше по массе кислорода, или 720 т. Он и близко столько не поднимет. Мертворожденная идея)

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: