Новости науки 01.02.02. Хранение водорода в углеродных наносферах.
В связи с работой над созданием экологически чистых транспортных
средств в последние годы идет активное изучение способности углеродных
нанотрубок и схожих структур захватывать и хранить водород. Ученые
из США и Китая провели исследование накопления водорода в образцах
наноструктур сферической формы и обнаружили, что удается довести
долю сорбированного водорода до 8 весовых процентов.
На разработку экологически чистых автомобилей брошены большие
силы. Во многом это связано с политикой правительств некоторых стран
или отдельных территорий по законодательному урегулированию вопросов
производства и использования транспортных средств. Например, в штате
Калифорния принята программа, которая обязывает производителей автомобилей,
начиная с 2003 года, оснащать 10% всех новых автомобилей двигателями
с нулевым выбросом вредных веществ, а в Исландии разрабатывается
программа, предусматривающая полное исключение использования автомобилей
с двигателями внутреннего сгорания к 2030 году. Исследования идут
по многим направлениям, в том числе и достаточно экзотическим (так,
в Техасе разработан криогенный автомобиль ), однако наиболее интенсивно идут
работы по созданию автомобилей на водородном топливе. Одной из главных
проблем является хранение водорода в топливном баке: чтобы обеспечить
пробег автомобиля на одной заправке более 500 км при разумном объеме
топливного бака, требуются большие давления, что увеличивает риск
взрыва. Возможный путь решения проблемы - использование веществ,
способных поглощать и хранить водород.
Одним из кандидатов на роль удобного "хранилища" являются углеродные
наноструктуры. В качестве достаточной сорбционной емкости вещества
фирма General Motors, например, называет 10 весовых процентов. Многие
исследователи сообщают об обратимом накоплении водорода в углеродных
нанотрубках в количестве до 8 %, но в целов данные по сорбции углерода
в нанотрубках достаточно противоречивы. Ученые из института физики
Академии наук Китая и университета Баффало провели исследование
накопления углерода в углеродных наноструктурах сферической формы,
имеющих, в отличие от нанотрубок, достаточно относительно большой
внутренний объем.
Полимеризованные наносферы из углерода с небольшой примесью азота
были получены на кремниевой подложке из смеси углерода с метаном
методом СВЧ плазмохимического напыления. После синтеза наносферный
материал подвергался кратковременному травлению в азотной плазме
для очистки, затем наносферы отделялись от подложки в 37 % растворе
соляной кислоты в течении 12 часов. Характеризация получившихся
наноструктур методом просвечивающей электронной микроскопии показала,
что получившийся в результате материал представляет собой полусферы
диаметром 15 - 50 нм. Электронная спектроскопия позволила установить,
что концентрация азота в структурах достигает 10 %.
Для насыщения водородом наносферные образцы массой 10 мг помещались
в вакуумную камеру, в которой при вакууме 10-7 Торр они
предварительно осушались, а затем в камеру вводился высокочистый
(99.999 %) водород при атмосферном давлении; образцы выдерживались
в такой атмосфере при 300 С в течении 4 часов. Затем исследовалась
десорбция водорода, которая происходила при температуре выше комнатной
и достигала максимальной скорости при 230 С. Эксперименты показали,
что удается достигнуть накопления водорода в наносферах в количестве
8 весовых %; в качестве механизма поглощения водорода авторы называют
хемисорбцию. Стоит отметить, правда, что после 10 циклов адсорбции-десорбции
сорбционная способность материала снижалась на 15 %.
|