Сегодня ученые всего мира ведут исследования в области развития водородной энергетики. В Институте лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ) ведутся разработки новых экологически чистых катализаторов для получения водорода из воды, а также материалов для хранения и транспортировки полученного топлива. Полученные результаты помогут сделать водородную энергетику дешевле, экологичнее и безопаснее, считают исследователи вуза.
Получение водорода
Существуют несколько методов получения водорода, один из наиболее простых — электролиз — заключается в расщеплении воды под действием электрического тока. Источником тока могут быть как экологически чистые солнечные батареи, так и атомные электростанции, также не использующие углеродного топлива.
Ученые НИЯУ МИФИ активно участвуют в разработке новых электродов, необходимых для эффективного электролиза. Для этого требуются достаточно дешевые материалы, а их компоненты должны быть распространены в природе, поэтому исследователи создают новые наноструктурированные материалы.
К примеру, сульфид молибдена можно получить из концентрата природного минерала молибденита, тонна которого стоит в 10 миллиардов раз дешевле, чем тонна платины — самого эффективного катализатора расщепления воды, сообщил заведующий лабораторией лазерного синтеза многофункциональных наноматериалов Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ, профессор Вячеслав Фоминский.
По его словам, для придания сульфиду молибдена таких же уникальных каталитических свойств, как у платины, необходимо получить его нано-размерные аморфные кластеры или ультратонкие и даже монослойные кристаллы. Для создания высокоэффективных электродов требуется нанести тонкие, толщиной в доли микрометров пленки новых наноматериалов на достаточно дешевые углеродные пластинки.
Сотрудники лаборатории разработали комплекс лазерных методов, позволяющих гибко регулировать условия осаждения тонких пленок на электроды и получать пленки с требуемым химическим составом и оптимальной упаковкой атомов.
«Мы используем лазерное излучение для испарения и ионизации мишеней, изготовленных из дисульфида молибдена. Подбирая интенсивность лазерного облучения мишени и условия разлета лазерной плазмы до электрода, мы выращиваем пленки с требуемыми характеристиками. Наши экологически чистые методы позволяют получить катализаторы, которые не уступают лучшим мировым образцам, полученным с применением опасных реагентов», — рассказал он.
Другая важная задача, которую решают ученые НИЯУ МИФИ, связана с минимизацией применения традиционных источников электрической энергии и активным использованием энергии солнца. Полупроводниковые свойства новых каталитических наноматериалов позволяют делать и это.
«Разрабатываемые нами лазерные технологии позволяют не только создавать перспективные новые пленки-катализаторы, но и повышать эффективность преобразования солнечной энергии в самих полупроводниковых электродах. Образующиеся под действием света электроны проникают в пленку-катализатор и достигают ее поверхности, где и образуется молекула водорода за счет нейтрализации ионизованных атомов водорода. Мы достигли эффективности получения водорода почти в 10 процентов. Эта величина не уступает результатам зарубежных исследований на аналогичных материалах с применением экологически вредных методов химического синтеза», — отметил Фоминский.
Российский научный фонд активно поддерживает подобные исследования, в том числе по проекту №19-19-00081.
Накопление и хранение водорода
Как и любое другое топливо, водород необходимо в чем-то накапливать и хранить. Существуют три основных конкурирующих способа накопления и хранения водорода, которые соответствуют трем основным состояниям вещества (газ, жидкость и твердое тело).
В газообразном состоянии водород сжимается до больших давлений и хранится в толстостенных баллонах, как обычный природный газ. Для перевода водорода в жидкое состояние его надо охладить до очень низкой температуры (примерно -250˚С). При этом его плотность возрастает, и в том же объеме можно запасать существенно большее количество водорода.
Третий способ хранения заключается в насыщении водородом (гидрировании) некоторых металлов с образованием новых твердотельных структур. В полученных гидридах плотность водорода огромна, на один атом металла может приходиться до 4 атомов водорода.
Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, но во многих случаях наиболее предпочтительны твердотельные накопители. Сотрудники лаборатории взаимодействия плазмы с поверхностью и плазменных технологий Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ исследуют поведение водорода в металлах, в том числе в твердотельных накопителях, сообщил заведующий лабораторией, профессор Александр Писарев.
«Накопитель представляет собой емкость, наполненную мелким (порядка микрона) металлическим порошком. Она «заряжается» водородом путем нагрева порошка в атмосфере водорода и затем «разряжается» путем нагрева, освобождая водород для его использования в топливном цикле. Другой тип твердотельных накопителей – пленочные накопители, в которых в атмосфере водорода на тонкую ленту наносится тонкий слой водород-активного металла. В одном цикле происходит и нанесение металла, и его насыщение водородом», — рассказал он.
По словам эксперта, существенный плюс пленочных накопителей — быстрота срабатывания, которая принципиально важна для ряда приложений. Они мгновенно нагреваются током, пропускаемым через тонкий слой металла, а порошковые накопители более инертны и требуют время для прогрева порошка.
Для создания пленочных накопителей принципиально важно правильно выбрать водород-активный материал и разработать технологии его нанесения. Этими вопросами занимаются сотрудники НИЯУ МИФИ.
«На первый взгляд все очень просто: насытили водородом, нагрели, и все. Однако, факторов, которые влияют на этот процесс, чрезвычайно много. Для изучения поведения водорода в тонких пленках в нашей лаборатории создана уникальная экспериментальная установка, которая позволяет наносить пленки в строго контролируемых условиях, насыщать их водородом как при нанесении, так и после, и исследовать выделение водорода из пленок методом программируемой термодесорбции. Каждая из операций проводится в своей вакуумной камере с переносом образца между камерами без контакта с атмосферой», — отметил Писарев.
С помощью этой установки сотрудники лаборатории рассчитывают получать интересные научные и прикладные результаты. Исследования проводятся в рамках программы «Приоритет—2030».
