Наносферы против парникового эффекта: как водород станет топливом будущего

Ученые создали пустотелые наносферы из кварцевого стекла, или диоксида кремния, чтобы хранить в них водород.

Соотношение водорода к диоксиду кремния составило 0,94 — это рекордное количество водорода, которое удалось «упаковать» в кварцевое стекло. Наносферы заполняли водородом под огромным давлением, но их форма осталась неизменной. Такие структуры могут стать безопасным способом хранения водорода — экологичного топлива будущего.

Исследование поддержал Российский научный фонд, а результаты опубликовали в журнале Fuel.

Водород — это чистая альтернатива ископаемому топливу. При его сжигании не выделяется углекислый газ, который вызывает парниковый эффект. Но хранить и перевозить водород сложно: пока нет способа «упаковать» его максимально компактно. Идеальный материал для хранения должен:

• вмещать много водорода,
• быстро его поглощать и выпускать,
• быть дешевым и доступным.

Ученые из Института физики твердого тела РАН в Черноголовке предложили хранить водород в пустотелых наносферах из диоксида кремния — того же материала, из которого делают кварцевое стекло и опал. Чтобы создать такие сферы, они использовали шаблоны из органического стекла. На них нанесли оболочку из диоксида кремния, а потом шаблон выжгли, оставив только прочную кварцевую оболочку. Диаметр наносфер — 289 нанометров (как у многих вирусов), а толщина стенок — 25 нанометров.

Наносферы заполнили водородом под давлением, в 75 000 раз выше обычного, и при температуре 140°С. Оказалось, что водород и диоксид кремния в сферах почти равны по массе (соотношение 0,94). Это рекордное количество водорода, которое удалось «упаковать» в подобные материалы. 29,8% водорода находится внутри полостей сфер, а остальное — в их стенках.

При нормальном давлении и температуре -193°С водород остается внутри сфер: в полостях он превращается в газ, а в стенках — в твердый раствор. Плотность газа внутри сфер в 52 раза выше, чем при обычных условиях. Даже после заполнения под огромным давлением форма наносфер не изменилась.

Ученые также проверили, как долго наносферы могут хранить водород в жидком азоте (-196°С). За три дня количество водорода уменьшилось на 14%, но потом стабилизировалось. Это значит, что такие сферы подходят для долгого хранения и перевозки водорода.

Вадим Ефимченко, руководитель проекта:

Водород — это топливо будущего. Но чтобы использовать его, нужно решить проблему хранения и перевозки. Наши наносферы — это шаг вперед: они вмещают много водорода, а диоксид кремния — дешевый и экологичный материал. Кроме того, такие сферы можно использовать для хранения дейтерия и трития — топлива для термоядерного синтеза, который может дать человечеству неисчерпаемую энергию.

Ранее ученые сообщили о катализаторе, способном обеспечить жидкое водородное топливо будущего.

Фото: камера высокого давления для насыщения образцов водородом. Источник: Вадим Ефимченко.

11.02.2025