Ученые из Федерального университета Сан-Карлуса в Бразилии и Университета Париж-Эст Кретей во Франции создали материал, который позволяет хранить водород и извлекать его при температурах почти вдвое ниже, чем требуется для существующих магниевых накопителей. Этот композит снижает температуру выделения водорода с 361 до 195 °C и одновременно обеспечивает быстрое поглощение газа уже при комнатной температуре.
Одной из главных проблем водородной энергетики сегодня остается хранение водорода. Несмотря на высокую энергетическую плотность, этот газ занимает большой объем, поэтому для его хранения обычно требуется либо высокое давление, либо очень низкие температуры.
Альтернативой являются твердые материалы, способные поглощать водород подобно губке и удерживать его внутри своей структуры. Одним из наиболее перспективных материалов для этой цели считается магний. Он легкий, относительно дешевый и способен поглощать до 7,6% собственного веса в виде водорода. Однако у него имеется серьезный недостаток: для накопления и последующего высвобождения водорода обычно требуется температура около 400 °C, а сами процессы протекают сравнительно медленно.
Для решения этой проблемы исследователи предложили объединить магний с так называемым высокоэнтропийным сплавом – особым классом материалов, состоящих сразу из нескольких металлических элементов в близких пропорциях. В данном случае сплав содержал титан, ванадий, ниобий, хром и молибден. Такое сочетание элементов формирует сложную атомную структуру, благодаря которой материал способен активно взаимодействовать с водородом даже при сравнительно низких температурах.
Далее сплав смешали с магнием в пропорции 40% к 60% и подвергли смесь высокоэнергетическому помолу в атмосфере водорода. В результате частицы сплава оказались равномерно распределены внутри магния на микро- и наноуровне. Между двумя материалами образовалось огромное количество границ раздела, которые стали своеобразными «воротами» для проникновения водорода.
Полученный композит показал высокие характеристики. В то время как чистый магний практически не поглощает водород при комнатной температуре, новый материал уже при 25 °C и давлении 64 атмосферы смог накопить до 2,9% водорода по массе, причем значительная часть этого объема была поглощена в первые минуты. При повышении температуры до 150 °C емкость возросла до 4,4%, что соответствует примерно 90% теоретически достижимого значения в данных условиях.
Однако наиболее важным результатом стало снижение температуры выделения водорода. Если гидрид магния начинает активно отдавать водород при 361 °C, то новый композит делал это уже при 195 °C. Одновременно энергия активации процесса снизилась на 71%, со 170 до 52 кДж на моль водорода.
Секрет такого эффекта заключается в совместной работе двух компонентов. Магний обеспечивает высокую емкость хранения, а частицы высокоэнтропийного сплава создают многочисленные активные центры и пути для быстрого переноса водорода внутри материала. Благодаря этому и магний, и сплав способны поглощать водород одновременно, усиливая общий эффект.
Исследователи также проверили долговечность материала. После 15 циклов поглощения и выделения водорода при 150 °C его емкость стабилизировалась на уровне около 4,2% по массе, что свидетельствует о хорошей устойчивости композита к многократной эксплуатации.
Таким образом предложенный подход открывает новое направление в разработке твердофазных накопителей водорода. Если технологию удастся масштабировать для промышленного производства, эти материалы смогут найти применение в водородном транспорте, системах хранения энергии и других энергетических установках.
