Ученые из Университета Лахора в Пакистане, Харбинского инженерного университета в Китае, Университета Западной Богемии в Чехии и научных центров Саудовской Аравии рассчитали свойства двух новых материалов для твердотельного хранения водорода. Речь о сложных гидридах на основе магния и железа с добавлением кальция (CaMg₂FeH₈) или бериллия (BeMg₂FeH₈). Наиболее высокую емкость показал материал с бериллием: на водород приходится до 6,63% его массы, а объемная плотность хранения достигает 129,3 г на литр.
Водород обладает высокой удельной энергоемкостью – около 120 МДж на кг, что примерно в 2,8 раза больше, чем у бензина. Однако при обычных условиях газ имеет очень низкую плотность и занимает большой объем. Поэтому его обычно приходится либо сжимать и хранить в специальных резервуарах под давлением 350-700 бар, либо охлаждать примерно до −253 °C и переводить в жидкое состояние. Оба варианта требуют сложного оборудования и дополнительных затрат энергии. Альтернативой могут стать металлические гидриды – твердые вещества, в кристаллической решетке которых водород удерживается за счет химических связей и может высвобождаться при нагревании.
Ученые исследовали гидрид кальция, магния и железа (CaMg₂FeH₈) и аналогичное соединение с бериллием (BeMg₂FeH₈). В лаборатории эти материалы пока не получали: их свойства рассчитали с помощью компьютерного моделирования на уровне отдельных атомов и электронов. Ученые определили, как элементы располагаются в кристаллической решетке, насколько прочно в ней удерживается водород и как соединения ведут себя при нагревании. Моделирование проводили при нормальном давлении, а также при 35 и 70 ГПа. Последнее примерно в 700 тысяч раз превышает атмосферное давление: столь высокие значения использовались для проверки устойчивости структуры материала, а не как предполагаемые условия его эксплуатации.
Расчеты показали, что в гидриде с кальцием (CaMg₂FeH₈) на водород приходится 5,28% общей массы, а в соединении с бериллием (BeMg₂FeH₈) – 6,63%. Объемная плотность хранения составила соответственно 127,1 и 129,3 г водорода на литр материала. Это выше показателя хорошо изученного гидрида магния (MgH₂), который способен хранить около 110 г водорода на литр. Новые соединения также превосходят ряд ранее исследованных сложных гидридов по содержанию водорода: например, у гидрида магния и железа (MgFe₃H₈) на него приходится 3,84% массы, а у гидрида кальция и марганца (CaMn₃H₈) – 3,65%.
Для высвобождения накопленного водорода материал необходимо нагреть. Расчетная температура его выделения составила около 188 °C для соединения с кальцием и 203 °C для соединения с бериллием. При нагревании связи, удерживающие водород в кристаллической решетке, ослабевают, и он выходит из материала в виде молекулярного водорода (H₂). Таким образом соединение с бериллием способно вместить больше водорода, тогда как кальциевый вариант высвобождает его при несколько более низкой температуре.
Компьютерное моделирование также показало, что оба гидрида сохраняют структурную устойчивость при повышении давления до 70 ГПа. Расчеты электронной структуры указывают на перенос части электронного заряда от кальция или бериллия и магния к железу и водороду. В результате водород оказывается связан внутри кристаллической решетки, что и обеспечивает возможность его хранения в твердом материале.
При этом исследование пока остается полностью теоретическим. Ученым еще предстоит синтезировать предложенные соединения и экспериментально проверить их реальную емкость, скорость поглощения и выделения водорода и способность выдерживать многократные циклы заполнения и опустошения.
