Материал, состоящий из графена и нанотрубок, - самое эффективное хранилище топлива для автомобилей на водородных топливных элементах - «Наука и технологии»

Литий-ионные аккумуляторные батареи, имеющие достаточно высокую стоимость, небольшую надежность и представляющие собой потенциальную опасность, продолжают упорно проталкиваться некоторыми компаниями, такими, как небезызвестная Tesla Motors, как единственно возможный вид источника энергии для электрических автомобилей нынешнего и будущего поколения. Но некоторые из нас наверняка помнят, что в не таком уж и далеком прошлом водородные топливные элементы также рассматривались в качестве источников энергии будущих автомобилей. Однако, началу широкого использования топливных элементов препятствовало и препятствует сейчас отсутствие надежных и безопасных технологий хранения водородного топлива.

Работая по заказу американского Министерства Энергетики (US Department of Energy, DoE), исследователи из университета Райс разработали несколько видов наноматериалов, состоящих из слоев графена, разделенных "столбами" нанотрубок из нитрида бора. Параметры нового материала в отношении хранения водорода полностью удовлетворяют, а во многом и превышают ряд требований, выставленных Министерством Энергетики.

Справедливости ради следует отметить, что новый гибридный наноматериал пока существует лишь в виде компьютерных моделей. Но, как показывает практика, в большинстве случаев свойства реального материала не сильно отличаются от свойств и параметров, полученных в результате теоретических расчетов.

Согласно требованиям DoE, разрабатываемый материал должен обладать способностью к хранению водорода в количестве, масса которого составляет минимум 5.5 процентов от массы материала. Этот "норматив" ученые из университета Райс перевыполнили в несколько раз, их материал способен хранить водород в количестве 12 процентов от его веса в нормальных условиях. А при охлаждении материала до температуры в -196 градусов Цельсия количество хранимого водорода увеличивается до 15 процентов.

Для того, чтобы получить столь внушительные числа, исследователи изучили множество комбинаций различных наноматериалов. В качестве этих материалов использовался обычный графен, монослойный нитрид бора (борографен), углеродные нанотрубки и нанотрубки из нитрида бора как в чистом виде, так и с примесями других химических элементов, лития, кислорода и водорода. Но наилучшие результаты показал графен с нанотрубками из нитрида бора, в определенные места которого были внедрены атомы кислорода.

В получившееся гибридном материале за счет притягивающих сил Ван Дер Вальса образуются устойчивые связи между самим материалом и атомами водорода, которыми насыщается материал. Этому, во многой степени, благоприятствует наличие атомов кислорода, с которыми, как известно, водород образует одно из самых стабильных химических соединений - воду.

"Добавление кислорода в основу материала дает нам хорошее соединение водорода с материалом из-за природы зарядов этих частиц и их взаимодействий" - рассказывает Роуцбе Сасавари (Rouzbeh Shahsavari), ученый-материаловед из университета Райс, - "Как всем известно, водород и кислород достаточно хорошо совмещаются друг с другом с химической точки зрения".

Помимо большой емкости по отношению к водороду, новый гибридный материал способен выдержать большее количество циклов его "заправки", которое превышает 1.5 тысячи согласно требованиям Министерства Энергетики, и он способен работать в достаточно широком диапазоне давлений, температур и прочих параметров.