Водород в наноструктурах
Идеи хранения водорода в наноструктурах продолжают активно развиваться. И если энтузиазм экспериментаторов несколько поубавился, то теоретики проявляют к ним все больший интерес.
Химики-теоретики из Chinese University Hong Kong Shatin и Fudan University Shanghai (Китай) предложили изысканную конструкцию наноконтейнера для хранения водорода. Наноконтейнер представляет собой молекулярную структуру, в которой водород может храниться при давлении ~ 1-3 ГПа. Особенность этой молекулярной структуры в том, что она может удерживать водород в сжатом состоянии даже после сброса внешнего давления, что совершенно необходимо, например, для его хранения на борту автомобиля.
В основу идеи был положен ранее полученный экспериментальный факт: водород, внедренный в междоузлия кристаллической решетки льда под высоким давлением, оставался там и после снятия давления, правда, при температуре 140 градусов Кельвина (–133 градуса Цельсия).
Какую же молекулярную конструкцию предложили китайские ученые? Она состоит из трех частей. Сам наноконтейнер представляет собой одностенную углеродную нанотрубку (ОСНТ). Внутрь этой нанотрубки помещают две молекулы фуллерена (форма которых похожа на футбольные мячи), получая таким образом «гороховый стручок». Третья часть контейнера – это две «крышки» на концах нанотрубки. Под высоким давлением газообразный водород просачивается через них внутрь конструкции. Затем внешнее давление снимают, а внутреннее давление выталкивает фуллерены («горошины») в концы трубки, где они перекрывают выход водороду, запирая его внутри. По сути, фуллерен и «крышка» образуют наноклапан. Предполагается, что такой молекулярный контейнер сможет работать и при комнатной температуре.
С помощью моделирования авторы подобрали параметры, обеспечивающие работоспособность конструкции. Оказалось, что оптимальной для контейнера является одностенная углеродная нанотрубка диаметром ~ 15 Ангстрем. Для блокировки ее концов подойдут две молекулы фуллерена С60. На концах нанотрубка закрыта полусферами фуллеренов, удалив из которых путем травления несколько атомов, можно создать условия для натекания газа внутрь. Детальные вычисления показали, что при внутреннем давлении 2,5 ГПа емкость конструкции приближается к 7,7 масс.% водорода, при этом после снятия внешнего давления молекулы водорода окажутся надежно заперты внутри.
Рассматривая возможные схемы использования таких наноструктур, китайские исследователи пришли к выводу, что для практических целей будет проще продавать уже заполненные в промышленных условиях контейнеры и ставить их на автомобиль. Тогда можно будет обойтись без водородных заправок на трассах. Конечно, возникает вопрос – а как извлекать водород? Авторы предполагают, что поможет химическая модификация молекулярного контейнера. Это, однако, предмет будущих исследований.
