С первого газа: «белый графит» поможет электрокарам ездить втрое дольше
Российские ученые разработали новый материал, который вмещает в три раза больше водорода, чем используемые сейчас для этого пористые аналоги. Он состоит из нитрида бора, так называемого белого графита, в структуре которого специально созданы дефекты для размещения газа. Технология позволяет запасти в водородном автомобиле больше топлива, а значит, заметно увеличить запас его хода. По словам экспертов, разработка приближает практическое использование водородной энергетики. Однако пока размещать газ в автомобиле гораздо дешевле в баллонах, поэтому технология, скорее всего, будет востребована только для специальных задач.
Что такое «белый графит»
Специалисты МИСИС разработали новый материал на основе нитрида бора, который еще называют белым графитом. Он вмещает в себя в три раза больше водорода, чем наиболее емкие металлоорганические каркасы (пористые полимеры) и практически на порядок больше, чем также используемый для этих целей активированный уголь. Новая разработка позволит заправлять больше водородного топлива в машину, что увеличит ее запас хода. При этом «белый графит» не требует дорогих реактивов и его легко начать производить в промышленных масштабах. Для того чтобы повысить абсорбирующую способность нитрида бора, ученые намеренно создали в нем дефекты, где разместился водород.
— Раньше считалось, что сорбция водорода тем больше, чем больше удельная поверхность материала. Мы выяснили, что есть еще один параметр, влияющий на поглощение водорода, — атомные вакансии, то есть дефекты структуры. Для их создания мы синтезировали наночастицы нитрида бора вместе с атомами углерода и кислорода, а затем удалили часть этих атомов из структуры путем обработки в водороде при высокой температуре, — рассказал старший научный сотрудник научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС Андрей Матвеев.
Водородная энергетика — это экологически чистая альтернатива традиционной углеводородной. Согласно концепции ее развития, в РФ к 2030 году до 10% пассажирского транспорта должно быть переведено на водород. Однако одна из основных проблем, которую необходимо решить, — найти эффективный и безопасный способ хранения и транспортировки топлива. Сейчас в большинстве электрокаров водород хранится в баллонах, однако они имеют слишком большую массу и объем.
Пористые материалы лучше других подходят для создания энергоемких портативных батарей нового поколения. На данный момент самой большой емкостью для удержания водорода обладают металлоорганические каркасы (МОК), но они дороги в производстве. Доступной альтернативой могли бы стать углеродные материалы, например активированный уголь, но он поглощает в два раза меньше водорода, чем МОК. Кроме того, при его производстве происходит большой выброс диоксида углерода, что вредно для окружающей среды. У предложенного учеными МИСИС подхода нет подобных недостатков.
Новые материалы и технологии хранения водорода
Предложенная технология хранения топлива в сфере водородного транспорта может найти только нишевое применение, так как она неспособна соревноваться с газовыми баллонами по своей стоимости, считает руководитель водородного направления компании «Криогенмаш» Антон Ковалевский.
— Подобная технология позволяют сконцентрировать большой объем водорода в очень компактном размере, но проблема в ее высокой цене и достаточно большом весе таких элементов. Пока компримированный газ в баллоне лучше всего подходит для использования в коммерческом транспорте. Под это уже есть инфраструктура. Однако наверняка подход с «белым графитом» будет востребован для различных специальных применений. Сейчас, например, его аналоги применяются в радиоуправляемых моделях автомобилей, — сказал он.
В перспективе использовать накопители из «белого графита» можно в зарядных станциях для электротранспорта, удаленных от энергетических сетей.
— Для нас как для производителя электрозарядной инфраструктуры такие технологии могут быть интересны в перспективе — например, в модульных автономных накопителях для зарядных хабов, которые устанавливаются в местах с ограниченной доступностью к сети. Но если говорить про сегодняшний день, то пока куда ближе решения на базе лития, — сказал директор по развитию бизнеса компании «Зарядные станции «Яблочков», эксперт рынка НТИ «Энерджинет» Даниил Сиволожский.
Сейчас у разработки более научный потенциал, чем коммерческая применимость в ближайшие три-пять лет, отметил эксперт.
Однако, по мнению специалистов в области развития водородной энергетики, подход ученых МИСИС уже сейчас приближает массовый переход на новый вид топлива.
— Вопросы хранения водорода сейчас стоят остро. Особенно интересно, что предложенный материал демонстрирует отличные характеристики при невысоких температурах и без использования дорогих компонентов. Это исследование приближает момент, когда производство портативных аккумуляторов может стать масштабируемым и даже обыденным для потенциального потребителя, — отметила ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Елена Мухина.
Поиск новых материалов и технологий хранения водорода необходим, так как современные решения не так эффективны и безопасны для внедрения в повседневную жизнь, как этого требуют современные системы, отметила старший научный сотрудник НТИ «Фотоника» базовой кафедры нанотехнологий и микросистемной техники РУДН Екатерина Гостева.
— Разработка демонстрирует новый подход к выбору материалов, основанный на изучении взаимодействия вакансий кислорода и углерода. Дефекты структуры напрямую влияют на емкость портативных устройств, что позволяет не только увеличить объем накапливаемого водорода, но и описать физико-химические процессы, происходящие в материале, а также научиться эти процессы контролировать и управлять ими.
В первую очередь материалы интересны для миниатюрных устройств — элементов питания материнской платы, маломощных устройств для электроники, но при дальнейшем изучении процессов возможно масштабирование технологии, заключила эксперт.
