Сегодня практически все автомобили используют в качестве топлива бензин или дизель. Но рост загрязнения воздуха, количества ассоциированных с ним болезней и повышения температуры поверхности Земли диктует свои правила. Этот факт волей-неволей заставляет нас переходить на боле чистые и экологичные источники энергии. Одним из них может стать водородная энергетика.
На сегодняшний день многие крупные страны, такие как Индия, США, Китай и Россия имеют свои государственные программы развития водородной энергетики. Так, например, Департамент Энергетики США планирует к 2025 году прочно внедрить водородную энергетику в большинство отраслей по всей стране.
В Индии еще с 2005 года существует «Национальный План Водородной Энергетики», который предусматривает вложение более пяти млрд долларов в развитие этой отрасли до 2020 года. К этому моменту власти страны планируют вывести на дороги страны 1 миллион автотранспортных средств, работающих на водороде.
Получать водород для нужд водородной энергетики сегодня можно как минимум десятком различных способов. Среди них и паровая конверсия природного газа, и газификация угля, и электролиз, а также другие, более современные и более эффективные методы. Но одна из основных проблем индустрии — технологии хранения водорода.
Как же его хранить?
Из-за своего размера, молекулы водорода достаточно хорошо проникают практически через любой материал, и где бы ни находился этот газ, если он химически не связан с каким-то твердым материалом, потерь не избежать.
Поэтому сегодня во всем мире потихоньку отходят от метода хранения, связанного с закачкой газа под давлением в резервуары. Самым эффективным, пожалуй, было бы переведение водорода в металлическое состояние. Но сегодня это возможно только при очень серьезных неокупаемых затратах энергии. В одной из работ ученые проанализировали большой массив научной литературы на эту тему и выяснили, что наиболее перспективными хранилищами для водорода могут стать водородные топливные элементы, гидриды металлов, металлорганические каркасы и углеродные нанотрубки.
Ранее наиболее хорошо себя в этом деле показали ранее материалы из палладия. Они способны вместить в себя, по некоторым данным, более 900 объемов водорода на 1 объем металла. Это рекордный показатель среди всех известных материалов. Но при создании большей удельной площади поверхности с помощью современных методов с использованием фемтосекундного лазера эту величину можно увеличить еще сильнее. Однако палладий достаточно дорог и не весь газ в нем может удерживаться достаточно долго для постоянного хранения.
Другим перспективным материалов для такого применения считаются углеродные нанотрубки. Адсорбция водорода на поверхности нанотрубки имеет смешанный характер, соответствующий как физической, так и химической адсорбции. Хемосорбция водорода на поверхности нанотрубки происходит при диссоциации молекулы газа. Заполнение трубок литием или калием повышает сорбционную способность этих материалов.
Еще один перспективный наноматериал для хранения водорода — пористые углеродные волокна. Для их получения используют блок-сополимер полиакрилонитрил-полиметилметакрилат. Один из его блоков удаляют с помощью термообработки. При нагревании до 800 градусов области полиметилметакрилата разлагаются, а цепочки полиакрилонитрила превращаются в углеродные волокна.
Удельная площадь поверхности таких материалов больше 500 квадратных метров на грамм. И хотя это более чем в два раза ниже аналогичного показателя активированных углей, дальнейшая модификация такого материала может привести к повышению его характеристик.
В одной из работ химики предложили использовать в качестве сохраняющего водород материала тетрагидроборат натрия (NaBH4). Они применили несколько комбинаций разных катализаторов из атомов редкоземельных металлов и нашли оптимальное их соотношение, которое позволяет извлечь из соединения максимальное количество горючего газа.
На сегодня разработка устройств хранения водорода — одна из самых быстро развивающихся областей химии. Главная проблема, которая стоит перед учеными — увеличение вместимости этих «резервуаров». Но пока что прыгнуть выше отметки в 13 массовых процентов никому не удавалось. Радует то, что у исследователей есть огромное поле для работ, которое в конечном итоге позволит создать хранилища с емкостью, достаточной для коммерческого использования.