Водород может храниться не только в газообразной и жидкой формах, но и в химически связанном состоянии. Это решение более безопасно и экономично. Новая технология дополнительно уменьшает расход энергии при хранении связанного водорода, что может оказаться полезным как на Земле, так и в космосе.
В результате сотрудничества ученых Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук и специалистов Центра водородной энергетики ПАО АФК «Система» была значительно улучшена технология хранения водорода. Исследование опубликовано в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Обычное хранение газообразного или жидкого водорода в контейнерах является дорогостоящим и небезопасным. Ученые активно исследуют адсорбционные и химические методы хранения. При использовании последнего водород хранится в связанном виде. В нужный момент инициируется реакция разложения вещества-хранителя, и «освобожденное» топливо подается в энергетическую установку.
Исследователи проанализировали свойства материала, образующегося при взаимодействии боргидрида магния Mg(BH4)2 и тетрааммиаката боргидрида цинка Zn(BH4)2(NH3)4. Оба эти соединения используются для химического хранения водорода. Однако выяснили, что в результате их смешивания формируется структура, которая значительно увеличивает эффективность химического хранения водорода и позволяет лучше контролировать процесс его выделения.
Новый материал был синтезирован с помощью механохимической обработки в планетарной мельнице и при обычном нагреве смеси Mg(BH4)2 и Zn(BH4)2(NH3)4 в эквимолярных пропорциях. В процессе реакции тетрааммиакат боргидрида цинка теряет около 50% молекул NH3, которые «переселяются» к боргидриду магния. На этом этапе смесь содержит молекулы диаммиакатов боргидридов цинка и магния, размеры которых близки, что обеспечивает ей стабильную биактионную структуру.
Стабильность структуры Mg-Zn была подтверждена с помощью квантово-химических расчетов. В ходе моделирования установлено, что при температурах от 130°C до 175°C смесь способна удерживать до пяти молекул NH3. Модельные кристаллы представляли собой группы (BH4‒)2M2+(NH3)2, где атомы Zn и Mg (обозначенные буквой М — металл) формировали гофрированные пластины в виде искривленных ромбов.
В новом материале выделение водорода из аммиака начинается при более низкой температуре по сравнению с исходными компонентами по отдельности. При этом экзотермический характер процесса остается неизменным. Это важно для автономных компактных энергетических систем, использующих водородное топливо.
Данное исследование представляет особую значимость для создания мобильных энергетических систем, которые требуют высокой плотности хранения водорода. Регулируя соотношение катионов Zn2+ и Mg2+, можно контролировать температуру разложения аммиака или аналогичных соединений, содержащих водород. Это позволит синтезировать материалы с заданными характеристиками для различных приложений, включая использование в космосе.