Ученые Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) синтезировали композит на основе гидрида магния с добавлением наноразмерного никель-хромового порошка для хранения водорода. Синергия свойств компонентов позволила снизить температуру выделения ценного для промышленности водорода в 4,5 раза — с 393°С до 86°С.
Композит был синтезирован из отечественного сырья и поэтому его себестоимость в три раза ниже аналога, в составе которого есть никель и дорогостоящий импортный лантан. Результаты работы опубликованы в журнале Hydrogen (Q2, IF: 3.0).
На сегодня водород является одной из перспективных альтернатив традиционным видам топлива. Это происходит благодаря высокой плотности энергии, широкой доступности и отсутствию вредных выбросов при его использовании, добыче и производстве.
Водород может использоваться в газообразном, жидком и в химически связанном состоянии. Последний способ хранения на сегодняшний день считается самым эффективным.
«Одним из способов хранения водорода в химически связанном состоянии является применение гидридов металлов. В числе наиболее исследованных соединений — гидрид магния. Это вещество часто встречается в природе и характеризуется содержанием водорода на уровне 7 % по массе. Важным свойством гидрида магния является его высокая стабильность, однако она же причина того, что десорбция водорода требует нагрева до 400 °C. Поэтому возникает потребность поиска альтернативных материалов, позволяющих высвобождать водород при более низких температурах», — отметил соавтор исследования, доцент Инженерной школы ядерных технологий Виктор Кудияров.
Ученые синтезировали композит на основе гидрида магния с добавлением наноразмерного никель-хромового порошка, который был получен методом электрического взрыва проводников. Компоненты смешивали в специальной шаровой мельнице. Благодаря механическому воздействию удалось добиться структуры «ядро-оболочка», в которой катализатор равномерным слоем покрывает поверхность магния.
«На поверхности гидрида магния атомы никеля и хрома образуют с водородом ковалентные связи. Это приводит к перераспределению электронного заряда между атомами водорода и добавками-катализаторами, из-за чего ионная связь водорода с магнием ослабевает, а энергия связи водорода с поверхностью уменьшается в среднем на 60%. Благодаря равномерному распределению добавок по поверхности композита водороду требуется сообщить значительно меньше энергии для десорбции, по сравнению с чистым гидридом магния», — пояснил соавтор исследования, доцент Инженерной школы ядерных технологий Леонид Святкин.
Ключевая научная новизна исследования состоит в том, что анализ природы химической связи между атомами веществ и ее динамики позволяет целенаправленно синтезировать материалы с заранее заданными характеристиками.
«Высвобождение газа в синтезированном композите происходит при температуре 86°С. Это позволяет использовать в качестве теплоносителя, например, горячую техническую воду, которая есть на больших производственных предприятиях», — добавил Виктор Кудияров.
Сейчас ученые ТПУ заняты разработкой больших систем хранения водорода из отечественного сырья для массового производства.
Исследование выполнено при поддержке федеральной программы Минобрнауки «Молодежные лаборатории» (№ FSWW-2024-0001).
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
