Сотрудники химического факультета МГУ усовершенствовали реакцию взаимодействия гидрида магния с водой, перспективную для генерации водорода, который используется в топливных элементах. Авторы работы установили, что добавление солей щелочных металлов, аммония и/или магния увеличивает выход водорода с 22% практически до 100%, при этом скорость потока водорода возрастает в восемь раз.
Автономные источники водорода используются для питания компактных топливных элементов небольшой мощности: зарядных устройств для электроники или систем электропитания потребителей, находящихся в далеких и изолированных местах. Наиболее доступный способ получения водорода для таких источников – взаимодействие легкого металла (алюминия или магния) или его гидрида с водой. Сами по себе гидриды по сравнению с металлами более эффективны, потому что содержат «свой» водород, выделяющийся в реакции окисления в дополнение к водороду из воды. Однако в обычных условиях алюминий, магний и их гидриды с водой взаимодействуют крайне неохотно, поэтому ученые активно ищут способы повышения их реакционной способности.
Сотрудники лаборатории химии высоких давлений кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ Людмила Севастьянова, Семен Клямкин и Владимир Ступников под руководством заведующего лабораторией Бориса Булычева представили новую работу. Ее цель – подобрать методы подготовки материалов и простые водные растворы так, чтобы их взаимодействие сопровождалось наибольшим количеством выделяемого водорода и достаточно высокой скоростью.
«Сейчас существуют два подхода к решению этой задачи. Первый заключается в модификации самого водородгенерирующего материала с применением методов механохимии. Активность металлов и гидридов в реакции окисления водой повышается в этом случае не только за счет формирования дефектов кристаллической решетки, но и благодаря введению легирующих добавок. Для магния это металлы триады железа, создающие с магнием гальванические пары. Для алюминия – галлий и индий, разрушающие зеренную структуру (эффект Ребиндера). Есть другое, очень простое с химической точки зрения решение – использовать кислоту или щелочь для растворения металлов или их гидридов. Такие реакции проходят быстро и эффективно. Однако химические свойства кислот и щелочей сильно ограничивают их применение. Пришлось искать что-то более нейтральное», – объяснил соавтор исследования, доктор химических наук, профессор кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ Семен Клямкин.
Исследователи предложили использовать для окисления гидрида магния нейтральные солевые растворы, например хлориды и бромиды аммония или магния. С их участием можно добиться практически 100% выхода водорода в этой реакции без изменения кислотности раствора. Кроме того, процесс идет намного быстрее.
Механизм действия солей пока до конца не понятен. Наиболее вероятно, что в реакции с водой на поверхности гидрида образуются нерастворимые гидроксиды, которые препятствует дальнейшему проникновению воды и фактически останавливают реакцию. Присутствие солей за счет комплексообразования способствует растворению этих гидроксидов или просто делает их более «рыхлыми».
В будущих исследованиях авторы планируют продолжать разработку методов активации, позволяющих расширить применение магния, алюминия и их гидридов в качестве относительно дешевых и простых в получении генераторов водорода.