Ученые ТПУ выяснили, как заставить гибридные материалы для хранения водорода работать при более низкой температуре

Ученые Томского политехнического университета провели подробный анализ последних данных по созданию гибридных материалов – накопителей для хранения и транспортировки водорода. Их интересовали материалы, состоящие из смеси металлических гид­ридов и металлоорганических каркасов. Ученые продемонстрировали на примерах, что при таком сочетании материал может крайне эффективно поглощать и отдавать водород, при этом при более низких температурах, чем просто гидриды металлов. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Materials Today в статье «Перспективы гибридных материалов, состоящих из MOF и наночастиц гидрид-формирующих металлов для хранения водорода в легких транспортных средствах».

Капризный идеал

Как чистый и идеальный вторичный источник энергии водород привлек широкое внимание всех стран мира. Технология хранения водорода является важнейшей проблемой для коммерческого применения водородной энергии. Однако ни один из материалов-кандидатов, разработанных до сих пор, пока не соответствует целевым показателям. По сравнению с единым каталитическим эффектом синергетический эффект в композиционных материалах считается более эффективным способом достижения наилучших свойств хранения водорода путем контроля как матрицы, так и наполнителя. В данной статье, основываясь на понимании новых аспектов синергетического поведения между поддержкой металлоорганических каркасов (MOF) и легированной гидрид-формирующей наночастицами металла, авторы раскрывают перспективы гибридных материалов, состоящих из MOF и наночастиц гидрид-формирующего металла, для хранения водорода в легких транспортных средствах.

Материалы – накопители водорода – это, как правило, порошкообразные вещества или смеси, которые при определенных условиях поглощают водород, а затем его «отпускают», когда это необходимо. Одними из наиболее перспективных типов материалов считаются гидриды различных металлов. Но у многих из лучших образцов есть недостаток, они поглощают и отдают водород при высоких температурах. То есть материал сначала нужно нагреть на сотни градусов по Цельсию, а это требует больших энергетических затрат.

Томск – один из ведущих научно-технологических центров России, и не случайно такую тематику, как водородная энергетика, мы обсуждаем именно здесь. Энергопереход к зеленой энергетике, который происходит в мире, могут себе позволить далеко не все страны. Нужно остаться технологическими лидерами в новой эпохе. Поэтому так важно разбирать по полочкам и прогнозировать сценарии технологического развития, социально-экономические последствия. Для этого и нужны такие мероприятия.

Вадим Медведев,
директор Департамента инноваций и перспективных исследований Минобрнауки

…И красивое решение

– У этой проблемы есть достаточно красивое для материаловедов решение – нужно смешать гидрид с другим материалом и получить новый композитный материал. Крайне перспективным подходом является смешивание с металлоорганическими каркасами. Это вещества с трехмерной структурой, они представляют собой матрицу из ионов металлов и органических молекул. Но дело в том, что таких веществ существует огромное множество. И как понять, какие гидриды смешивать с какими каркасами, при каких условиях и какой результат получится, какие здесь есть закономерности, – чтобы ответить на эти вопросы, мы и провели подробный анализ работ исследовательских групп в разных странах, изучили созданные ими композиты. В результате подготовки обзора и уже выполненных нами исследований можно однозначно утверждать, что существует синергетический эффект, – рассказывает один из авторов статьи доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров.

По его словам, в данном случае синергетический эффект при смешивании гидридов с металло­органическими каркасами заключается в том, что при сохранении емкости водорода заметно снижается рабочая температура композита.

– В некоторых работах речь идет о снижении температуры на 20–30%. Это существенные показатели. Собранные данные доказывают, что металлоорганические каркасы действительно могут быть хорошим решением проблемы высоких температур. Более того, нам удалось обнаружить ряд закономерностей, которые позволяют не перебирать все подряд металлоорганические каркасы, а создавать композиты целенаправленно, заранее понимая, что и с чем необходимо смешать. Эти данные мы уже используем при создании собственных композитов, по которым уже провели расчетные и экспериментальные работы, – отмечает Виктор Кудияров.

Над исследованием работали специалисты отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, занимающихся исследованием и синтезом новых металлоорганических каркасов. Здесь это научное направление возглавляет профессор Френсис Верпоорт.

СПРАВКА «ТН»

Консорциум водородных технологий был сформирован в 2020 году по инициативе шести научных и образовательных организаций. Его учредителями и первыми участниками стали Институт проб­лем химической физики РАН, Институт катализа СО РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Томский политехнический университет, Сахалинский государственный университет, Самарский государственный технический университет. Сейчас к консорциуму присоединились 22 российских вуза и академических института. В совете индустриальных партнеров – 16 российских компаний, в том числе СИБУР, РЖД, «Газпром нефть» и другие.

На пути к зеленому энергопереходу

Томский политехнический университет – участник национальной программы поддержки вузов «Приоритет 2030» по треку «Исследовательское лидерство». Среди ключевых стратегических проектов университета – инициатива «Энергия будущего». Его цели – устойчивый переход России к экологически чистой ресурсо­сберегающей энергетике и декарбонизации промышленности, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, развитие новых технологий ядерной энергетики, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии. Он предполагает глубокую исследовательскую и технологическую работу в области водородной энергетики.

Томский политех является одним из инициаторов создания и активным участником работы российского Консорциума водородных технологий. На прошлой неделе на базе университета состоялась всероссийская конференция с международным участием «Водород. Технологии. Будущее». Очно и дистанционно в ней приняли участие почти 200 специалистов из России, Бельгии, Германии, ЮАР и Индии.

– Томский политех обладает развитыми и обширными компетенциями во всех областях водородной энергетики – это получение, хранение, транспорт и использование водорода, а также вся образовательная составляющая по этим направлениям. Мы будем принимать участие в конкурсном отборе в качестве организации-лидера нового центра НТИ. Конференция в Томске – это площадка, где ученые и промышленность презентуют последние достижения, обсуждают проб­лемы и, что самое главное, находят их решение, – говорит и. о. ректора ТПУ, сопредседатель координационного совета Консорциума водородных технологий Дмитрий Седнев. – Сейчас участники консорциума продолжают аналитическую работу по выделению конкретных технологических барьеров, которые мешают развитию водородного рынка в стране. Эта работа по планам завершится к концу года. И мы продвигаемся к подготовке публичного доклада и проекта единой программы скоординированных исследований, которые будут выполнять члены консорциума.

Автор: Иван Шмелев