Ученые из Института физики твердого тела РАН синтезировали полые наносферы из кварцевого стекла для хранения молекулярного водорода. Разработка позволила в течение длительного времени удерживать H2 в условиях низких температур. Результаты исследования опубликованы в журнале Fuel.
Несмотря на «хайп» вокруг водородной энергетики, коммерческому использованию H2 по-прежнему мешает сложность его хранения и транспортировки. На промышленном уровне пока что нет материалов, из которых можно сделать резервуары для хранения большого объема водорода и легко высвобождать его.
Одно из возможных решений этой проблемы принадлежит ученым из Института физики твердого тела РАН, которые предложили хранить водород в полых наносферах из диоксида кремния — кремнезема (SiO2), из которого состоит кварцевое стекло. Для получения наносфер авторы использовали шарообразный прототип из органического стекла, который должен был придать форму будущему «хранилищу» водорода.
На первом этапе ученые создали оболочку из диоксида кремния, проведя химическую реакцию между водой и кремнийсодержащим органическим соединением на поверхности прототипа. Обжиг прототипа и окружающей его оболочки при температуре в несколько сотен градусов позволил получить емкость из кварцевого стекла, непроницаемого для многих веществ, за исключением водорода. Диаметр полученных полых наносфер составил 289 нанометров, а толщина оболочки — 25 нанометров.
Затем ученые провели эксперимент, в ходе которого насыщали полученные наносферы водородом при температуре в 140 градусов Цельсия и давлении в 75 тыс. бар (в 75 тыс. раз выше атмосферного). По итогам эксперимента соотношение водорода к диоксиду кремния составило 0,94 — это максимальное на сегодняшний день содержание водорода в кварцевом стекле. Меньше трети водорода помещалось в полости сфер, а остальная часть — в их оболочках.
Анализ показал, что при нормальном внешнем давлении и температуре минус 193 градуса Цельсия (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. Что не менее важно, заполнение наносфер водородом при высоком давлении не повлияло на их форму.
В рамках исследования ученые решили проверить, как долго синтезированные частицы способны удерживать водород при хранении в жидком азоте, т. е. при очень низкой температуре (минус 196 градусов Цельсия). Оказалось, что в этих условиях содержание водорода в наносферах за первые три дня снизилось на 14%, но затем перестало меняться. Как следствие, полученные наносферы могут использоваться для длительного хранения и транспортировки газообразного водорода.
«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», — цитирует Российский научный фонд руководителя проекта, кандидата физико-математических наук Вадима Ефимченко.
