Рекордно плотная упаковка водорода в металлоорганическую соломку

MOF-74: зеленые атомы — ионы цинка, серые — углерод.

Чем выше интерес к так называемой «водородной экономике» и к транспорту, сжигающему водород или использующему его в топливных элементах, тем более насущным становится вопрос — как же хранить водород. Многие эксперты полагают, что для того, чтобы транспорт на водородном топливе мог соревноваться с бензиновым в дальности поездок, водород необходимо хранить с плотностью, превышающей плотность жидкого водорода. Такие уровни компрессии чреваты проблемами с безопасностью и высокой стоимостью.

Недавно мы рассказывали о планах хранения водорода в углеродных фуллеренах, таких как «бакиболлы». А в Центре нейтронных исследований Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали многообещающую новую технологию хранения водорода с использованием еще одной экзотической разновидности углеродных материалов.

NIST, Университет Мэриленда и Калифорнийский технологический институт совместно проводили исследования металлоорганических решеток (MOF). Этот тип соединений считается очень перспективным, так как может с легкостью хранить и высвобождать водород благодаря простым изменениям условий хранения. Однажды на этой основе может быть даже разработано что-то наподобие топливного насоса.

Еще одно преимущество металлоорганических решеток в том, что для высвобождения водорода они не нуждаются в высоких температурах. Другим материалам подчас требуют температуры от 100 до 500 градусов по Цельсию, прежде чем они высвободят водород.

Группа исследователей сосредоточила свои усилия на MOF-74, пористом кристаллическом порошке, разработанном в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса. Соединение имеет любопытный вид: углерод складывается в своего рода молекулярные соломинки, по внутренним полостям которых бегают ионы цинка. Соломинки очень плотно упакованы, образуя порошкообразный материал. Благодаря уникальному устройству материала один грамм такой субстанции имеет площадь поверхности равную площади теннисного корта.

Данная структура удивительно хорошо упаковывает водород. Ученые установили, что при 77 градусах по Кельвину (–196° С) MOF-74 поглощает больше водорода, чем любой из известных на сегодня непрессованных материалов. Материал пакует водород с плотностью, превосходящей плотность твердого водорода. Чтобы придти к этому открытию ученые использовали смешанную технику нейтронного рассеивания и абсорбции газа.

Крейг Браун, ученый из Центра нейтронных исследований, сообщает, что исследователи не вполне уверены, что же помогает MOF-74 так здорово впитывать водород. По его словам, они склоняются к мнению о том, что это может происходить в результате взаимодействия водорода с ионами цинка. Браун воодушевлен перспективами MOF-74: «Когда мы начали наши эксперименты, мы поняли, что взаимодействие с металлом не только повышает температуру хранения водорода, но и увеличивает плотность до большей, чем у водорода в твердом состоянии. Это абсолютно первый случай, когда подобное было достигнуто без помощи компрессии».

Температура, необходимая для складирования в MOF-74 легко достигается с помощью дешевого жидкого азота. Это большое преимущество по сравнению с твердым азотом, нуждающимся в температурах ниже –269° С. Исследователи надеются, что дальнейшие исследования позволят им либо модифицировать материал, либо найти похожие, чтобы складирование стало возможным при еще более высокой температуре. Тогда можно будет обойтись без систем охлаждения и/или изоляции, а значит снизить производственные затраты и улучшить экономию топлива.