• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
17.04.2024
Сколтех
9
7 840

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
Вчера, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

Сегодня, 08:06
Юлия Тарасова

Какие физические параметры делают мужское тело привлекательным? В новом международном исследовании ученые попытались разобраться в вопросе с помощью снимков рентгеновской денситометрии и эволюционного моделирования. Полученные результаты поставили под сомнение популярный стереотип о предпочтении худощавых и мускулистых мужчин.

Вчера, 19:44
Игорь Байдов

Гарум — знаменитый рыбный соус, который был неотъемлемой частью кухни Древнего Рима и других средиземноморских культур. Он стоял на столах и в хижинах бедняков, и в пиршественных залах патрициев. Философ Сенека с отвращением называл его «‎драгоценной сукровицей протухших рыб», но миллионы римлян обожали эту приправу. Что на самом деле входило в ее состав? Ответ на вопрос нашла международная команда ученых с помощью чанов, которые использовались для приготовления соуса.

Вчера, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

28 июня, 18:58
Игорь Байдов

За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».

27 июня, 09:47
Авдей Палиш

Снимки с фотоловушек давно стали культурным явлением. Особенно забавными выглядят медведи. Мы с удовольствием смотрим на зверей, попавших в объектив камер в национальных парках: тигр украл фотоловушку, муравьед проехал верхом на муравьеде и так далее. Но не все животные настолько обаятельные. Ученые из США решили развить эмпатию к гремучим змеям, которых многие боятся. Для этого специалисты запустили трансляцию из «мегалогова», где рептилии отдыхают и рожают потомство.

17 июня, 16:49
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня, 15:19
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

5 июня, 13:20
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

[miniorange_social_login]

Комментарии

9 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
Комментарий удален пользователем или модератором...
    Pesos Urugay
    17.04.2024
    -
    0
    +
    Виктор, дохлый помер. Будущее за одноразовыми твердотопливными ускорителями и возвращаемыми ступенями
    +
      ещё комментарии
      Комментарий удален пользователем или модератором...
        Pesos Urugay
        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
          Комментарий удален пользователем или модератором...
            Pesos Urugay
            26.04.2024
            -
            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 Urugay
              26.04.2024
              -
              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
        -
        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
Закрыть
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