Водородная энергетика считается одним из перспективных направлений развития техники. Водород не дает вредных выбросов, его много, он легкий. Но есть проблема: как его хранить? Для хранения водорода нужны тяжеленные баллоны под огромным давлением или при температуре, близкой к абсолютному нулю. Ни то, ни другое не подходит ни для самолета, ни для автомобиля. Что же делать? Ответ ищут материаловеды и физики по всему миру. Одно из перспективных решений предложили сотрудники НИЯУ МИФИ аспирант Александр Яковлев и профессор Константин Катин. Они исследовали, как ловить молекулы водорода с помощью лития.
Литий — самый легкий металл. И это его главное преимущество. Если мы хотим накапливать водород, нам нужен материал, который сам мало весит. Ведь топливный бак — это часть веса самолета или машины. Раньше ученые пытались "насыпать" атомы лития на поверхность разных материалов — графена, карбида кремния и других. Но здесь возникла проблема: атомы металла не хотят равномерно распределяться по поверхности. Они собираются в комочки, как ртуть, и эффективность падает. В основе исследования ученых МИФИ лежит идея использовать литий не в качестве добавки, а в качестве основы, в которой атомы лития расположены идеально благодаря структуре кристалла.
Исследователи взяли пять кандидатов — плоские, толщиной всего в один атом, материалы на основе лития. У таких кристаллов огромная поверхность, так что водороду есть где разместиться. Четыре из них отсеялись один за другим.
В литиевой "соде" (LiOH) на практике молекулы водорода на ней почти не держатся. Притяжение слабее, чем требуется, в семь раз. Если и удавалось "приклеить" водород, то так крепко, что обратно он уже не отрывался — вместо водорода получалась вода.
Оксиды лития показали себя лучше, но тоже были не идеальным вариантом. Одна из форм (H-Li₂O) оказалась нестабильной — контакт с водородом разрушал материал. Другая форма (T-Li₂O) вела себя достойно, но энергия связи с водородом была ниже необходимого порога. Ученые попробовали растянуть и сжать материал, добавлять лишние атомы лития для лучшего взаимодействия — ничего не помогло.
Когда надежда почти угасла, на сцену вышел карбид лития — Li₃C. Его атомарная структура представляет собой плоскую решетку, где атомы углерода окружены атомами лития. И тут случилось то, чего ждали: молекулы водорода прилипали с нужной силой — не слишком слабо, чтобы не улетучиться, и не слишком крепко, чтобы их можно было потом использовать как топливо.
Оптимальная энергия связи для хранения водорода — около 150–300 мэВ (электрон-вольт, единица измерения энергии в мире атомов). У Li₃C получилось 228 мэВ. Идеально!
Но главное — вес. Материал содержит много лития и не так много углерода, поэтому он легкий. На каждый килограмм такого "губчатого" листа можно накопить почти 60 граммов водорода. А если постараться — все 80. Для сравнения: современные баллоны высокого давления дают около 40–50 граммов на килограмм веса системы.
С точки зрения физики, литий в Li₃C работает как "липучка". У атома лития есть свободные орбитали, которые с удовольствием принимают электроны от водорода. Водород — скромный донор, но всё-таки он делится электронной плотностью, и возникает слабая электрическая связь. Не химическая связь, как в молекуле, а физическая адсорбция — как капля росы на листе.
Ученые проверили это с помощью квантово-механических расчетов. Оказалось, что атом лития получает часть электронной плотности при контакте с водородом — значит, действительно происходит перенос заряда. Водород поляризуется и притягиваются к литию.
Профессор НИЯУ МИФИ Константин КатинСамое интересное — температура. Водород должен выходить из "ловушки" при нагревании. Для Li₃C температура десорбции (отпускания водорода) оказалась близка к комнатной. Это значит, что бак с таким материалом будет работать без дополнительного подогрева или охлаждения. Просто открывай вентиль — и водород выходит.
Ученые рассчитали, как будет вести себя материал при разных давлениях и температурах. Графики показали: при давлении 10–20 атмосфер и обычной температуре Li₃C удерживает почти весь водород. Стоит снизить давление — отпускает. Идеально для топливного бака.
Авторы исследования скромно называют Li₃C "перспективным материалом для водородной авиации". Именно там каждый килограмм на счету. Возможно, через 10–20 лет баки пассажирских лайнеров будут заполнены не керосином, а такими "литиевыми листами".
Исследование опубликовано в авторитетном научном журнале International Journal of Hydrogen Energy.