Водородная энергетика давно рассматривается как один из самых перспективных векторов развития техники: водород не дает вредных выбросов, его запасы практически неисчерпаемы, а сам он чрезвычайно легок. Однако перед инженерами всего мира вот уже несколько десятилетий стоит фундаментальное препятствие — хранение этого газа. Традиционные методы требуют либо чудовищного давления в тяжеленных баллонах, либо охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю. Ни то, ни другое неприемлемо для авиации или автомобильного транспорта, где каждый килограмм веса конструкции имеет критическое значение. Ответ на этот вызов попытались найти материаловеды и физики Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.
Аспирант Александр Яковлев и профессор Константин Катин предложили радикально иной подход: не сжимать газ, а «ловить» его молекулы с помощью специально разработанного материала. В центре их внимания оказался литий — самый легкий из всех металлов. Ранее ученые пытались наносить атомы лития на поверхность различных подложек — графена, карбида кремния и других углеродных структур. Но здесь исследователей ждала неудача: атомы металла отказывались распределяться равномерно, собираясь в кластеры, подобно каплям ртути, что резко снижало эффективность сорбции. Коллектив из МИФИ пошел другим путем, решив использовать литий не в качестве добавки, а в качестве основы будущего материала, где атомы расположены идеально ровно благодаря жесткой кристаллической решетке.
Как сообщается в исследовании, опубликованном в авторитетном журнале International Journal of Hydrogen Energy, ученые отобрали пять кандидатов — плоские, толщиной всего в один атом, структуры на основе лития. Такие двумерные материалы обладают колоссальной удельной поверхностью, что теоретически дает молекулам водорода прекрасную возможность для «посадки». Однако четыре кандидата отсеялись один за другим. Гидроксид лития LiOH, который авторы образно называют «литиевой содой», показал слишком слабое притяжение — энергия связи оказалась ниже необходимой в семь раз. В ряде случаев молекулы водорода приклеивались намертво, вступая в химическую реакцию с образованием воды, что исключало возможность использования топлива. Оксиды лития (T-Li₂O и H-Li₂O) повели себя лучше, но тоже не дотянули до идеала. Одна из форм (H-Li₂O) оказалась нестабильной и разрушалась при контакте с водородом, а другая (T-Li₂O) демонстрировала энергию связи ниже требуемого порога. Попытки «настроить» свойства материала с помощью деформаций, сжатия или добавления дефектов не увенчались успехом.
Когда надежда почти угасла, в поле зрения исследователей попал карбид лития — Li₃C. Его структура представляет собой плоскую решетку, в которой атомы углерода окружены атомами лития. И здесь физика сработала безупречно. Молекулы водорода прилипали к поверхности с силой, которую специалисты называют «золотым стандартом»: не слишком слабо, чтобы не улетучиться при малейшем колебании температуры, и не слишком крепко, чтобы водород можно было легко извлечь для сжигания в двигателе. Оптимальный диапазон энергии связи для обратимого хранения составляет 150–300 мэВ. У Li₃C этот показатель составил 228 мэВ.
«С точки зрения физики, литий в Li₃C работает как «липучка», — поясняют авторы работы. — У атома лития есть свободные орбитали, которые охотно принимают электронную плотность от водорода». Возникает не химическая связь, а физическая адсорбция — наподобие того, как капля росы удерживается на листе. Квантово-механические расчеты подтвердили: при контакте происходит перенос заряда, водород поляризуется и притягивается к литию.
Но главное достижение даже не в силе связи, а в легкости самой конструкции. Поскольку материал содержит много лития и относительно мало углерода, он чрезвычайно легок. Расчеты показали: на каждый килограмм такой «губчатой» структуры можно накопить почти 60 граммов водорода, а при оптимизации процесса — до 80 граммов. Для сравнения: современные баллоны высокого давления, используемые в промышленности, дают лишь 40–50 граммов на килограмм веса системы.
Критически важным оказалось и поведение материала при изменении температуры и давления. Моделирование показало: при давлении 10–20 атмосфер и обычной комнатной температуре Li₃C надежно удерживает почти весь сорбированный водород. Стоит лишь снизить давление — газ начинает выделяться, готовый к подаче в силовую установку. Температура десорбции оказалась близка к комнатной, что означает: бак с таким наполнителем не потребует ни сложных систем охлаждения, ни дополнительного подогрева. Просто открывай вентиль.
Авторы исследования, поддержанного Министерством науки и высшего образования РФ (проект FSWU-2024-0014), скромно называют Li₃C «перспективным материалом для водородной авиации». Действительно, именно в авиации каждый килограмм веса летательного аппарата конвертируется в тонны сожженного топлива и километры дальности. Возможно, через 10–20 лет баки пассажирских лайнеров будут заполнены не керосином, а такими «литиевыми листами», открывая новую эру экологически чистых перелетов.