Российские разработки сделают водородную энергетику дешевле и безопаснее
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.
«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.
«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.
precedent 14 Января 2022
