Супер

5 сентября 2022 г.

Линда Берингер, Общество Макса Планка

Водород (H2) в настоящее время рассматривается как идеальный энергоноситель возобновляемых источников энергии. Водород имеет самую высокую весовую плотность энергии среди всех химических видов топлива (141 МДж/кг), что в три раза выше, чем у бензина (46 МДж/кг). Однако его низкая объемная плотность ограничивает его широкое использование в транспортных целях, поскольку современные варианты хранения требуют много места.

При температуре окружающей среды водород представляет собой газ, а один килограмм водорода занимает объем 12000 литров (12 кубических метров). В автомобилях на топливных элементах водород хранится под очень высоким давлением, в 700 раз превышающим атмосферное давление, что снижает объем до 25 литров на килограмм H2. Жидкий водород имеет более высокую плотность (14 литров на килограмм), но для этого требуются чрезвычайно низкие температуры, поскольку температура кипения водорода составляет минус 253 °C.

Теперь группа ученых из Института интеллектуальных систем Макса Планка, Технического университета Дрездена, Университета Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберга и Национальной лаборатории Ок-Риджа продемонстрировала, что водород конденсируется на поверхности при очень низкой температуре вблизи H2. точки кипения, образуя сверхплотный монослой, превышающий плотность жидкого водорода почти в три раза, что уменьшает объем всего до 5 литров на килограмм H2.

Неожиданным результатом стало то, что поверхность покрывало в два раза больше молекул H2, чем атомов благородного газа аргона, хотя обе они имели почти одинаковый размер. Чтобы удвоить количество молекул на площадь, молекулы H2 тесно сжимаются, образуя сверхплотный слой.

В исследовании R. Balderas-Xicohténcatl et al. включали эксперименты по криоадсорбции с высоким разрешением на высокоупорядоченном мезопористом кремнеземе с четко определенными характеристиками пор и поверхности для определения количества молекул, конденсирующихся на поверхности материала.

Неупругое рассеяние нейтронов — идеальный инструмент для отслеживания формирования этого двумерного слоя водорода. Впервые существование сверхплотного водорода было подтверждено in situ. Это прямое наблюдение стало возможным только с использованием нейтронно-колебательного спектрометра высокого разрешения VISION, скорость неупругого счета которого более чем в 100 раз выше, чем у любого аналогичного доступного спектрометра.

Теоретические исследования подтверждают экспериментальные наблюдения необычно высокой плотности водорода в адсорбированном слое. Силы притяжения на поверхности были сильнее, чем отталкивание между двумя молекулами водорода, что привело к сверхплотной упаковке водорода на поверхности мезопористого кремнезема. Сверхвысокая плотность является следствием высокой сжимаемости водорода, у которого нет основных электронов.

Фундаментальный интерес представляет образование сверхплотного слоя водорода при низких температурах вблизи точки кипения. Его следует рассмотреть для количественного анализа изотерм адсорбции H2 при 20 К. Это также может открыть новые возможности для увеличения объемной емкости криогенных систем хранения водорода для многих приложений в будущей водородной экономике.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Больше информации: Рафаэль Бальдерас-Ксикотенкатль и др., Формирование сверхплотного монослоя водорода на мезопористом кремнеземе, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7

Информация журнала:Природная химия

Предоставлено Обществом Макса Планка