Исследователи Томского политехнического университета разработали новый композитный материал для водородной энергетики. Он снижает температуру высвобождения водорода из гидрида магния более чем в четыре раза, при этом производство материала втрое дешевле зарубежных аналогов.

Как рассказали в пресс-службе ТПУ, учёные Инженерной школы ядерных технологий синтезировали новый композит на основе гидрида магния. Они добавили в его состав наноразмерный порошок никеля и хрома. Полученный материал предназначен для хранения водорода. Комбинирование свойств компонентов позволило резко снизить температуру, при которой ценный для промышленности газ высвобождается из соединения. Водород начинает выделяться уже при 86 градусах Цельсия, в то время как чистому гидриду магния для этого требуется нагрев до 393 градусов. Важным преимуществом новой разработки стала её стоимость: композит создали из отечественного сырья, что сделало его в три раза дешевле аналога с применением импортных компонентов.

Исследование выполнили при поддержке федеральных программ Минобрнауки «Молодежные лаборатории» и «Приоритет-2030» в рамках нацпроекта «Молодёжь и дети». Результаты работы опубликовали в международном журнале Hydrogen.

Водород сегодня рассматривают как одну из самых перспективных альтернатив традиционному топливу. Его преимуществами называют высокую плотность энергии, широкую доступность и отсутствие вредных выбросов при использовании. Водород можно хранить и транспортировать в газообразном, жидком или химически связанном состоянии. Последний способ сегодня считают самым эффективным.

Доцент Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Виктор Кудияров, являющийся соавтором исследования, пояснил, что одним из способов такого хранения служит применение гидридов металлов. Среди наиболее изученных соединений — гидрид магния. Это вещество часто встречается в природе и может содержать до 7% водорода по массе. Важным свойством гидрида магния является его высокая стабильность. Однако именно эта стабильность становится причиной главного недостатка: для высвобождения водорода материал нужно нагреть почти до 400 градусов Цельсия. Поэтому учёные во всём мире ищут альтернативные материалы, которые позволяли бы получать водород при более низких температурах.

Специалисты ТПУ предложили своё решение. Они синтезировали композит на основе гидрида магния, добавив в него наноразмерный порошок никеля и хрома. Этот порошок получили методом электрического взрыва проводников. Компоненты будущего материала смешивали в специальной шаровой мельнице. Благодаря механическому воздействию, учёным удалось добиться особой структуры «ядро-оболочка», в которой слой катализатора равномерно покрывает поверхность частиц магния.

Другой соавтор исследования, доцент Инженерной школы ядерных технологий Леонид Святкин, объяснил механизм работы катализатора. 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. В результате ионная связь водорода с магнием ослабевает, а энергия связи водорода с поверхностью снижается в среднем на 60%. Благодаря равномерному распределению каталитических добавок водороду требуется значительно меньше энергии для высвобождения по сравнению с чистым гидридом магния.

По словам учёных, ключевая научная новизна их работы заключается в том, что анализ природы химической связи между атомами и её динамики позволяет целенаправленно создавать материалы с заранее заданными свойствами. Виктор Кудияров отметил, что высвобождение газа в синтезированном композите начинается уже при 86 градусах Цельсия. Такая низкая температура позволяет использовать в качестве источника тепла, например, горячую техническую воду, которая есть на многих крупных промышленных предприятиях.

Водородный накопитель на основе наноразмерного никель-хромового порошка создали полностью из отечественного сырья. Это решение позволяет сократить себестоимость материала в три раза по сравнению с широко применяемым аналогом, в состав которого входят никель и дорогостоящий импортный лантан.

Сейчас учёные работают над следующей задачей: они заняты разработкой крупных систем для хранения водорода на отечественной сырьевой базе, которые будут пригодны для массового промышленного производства.

Источник фото: news.tpu.ru

Lx: 4347