Ученые Южно-Уральского госуниверситета смоделировали материал для мобильных хранилищ водорода.

Как сообщили РИА «Новый День» в вузе, разработка компактных водородных хранилищ позволит перейти к эффективному использованию «зеленой» энергии в инфраструктуре «умных» мегаполисов. Статья о свойствах легированного литием одномерного углеродного материала, карбина, опубликована в одном из журналов первого квартиля (квартиль Q – это категория научных журналов, которую определяют библиометрические показатели, отражающие уровень цитируемости, то есть востребованность журнала научным сообществом – прим. РИА «Новый День») «Sustainable Energy and Fuels» (топ-25%).

Сегодняшний курс на экологичность неизбежно приведет к сокращению использования углеводородного топлива, поэтому исследователи все больше внимания уделяют альтернативным источникам энергии – солнцу и ветру.

Одна из задач, поставленных перед учеными, – хранение и транспортировка энергии, полученной из альтернативных источников. Водород может стать эффективным и экологически чистым энергоносителем. Для удобства его использования необходимы компактные и безопасные хранилища, в которых можно перевозить вещество. Существующие технологии (сжижение и хранение под давлением) не позволяют создать хранилища, удовлетворяющие всем выдвигаемым требованиям.

В ЮУрГУ работают над поиском материала для принципиально отличающихся водородных хранилищ – твердотельных.

По мнению исследователей, углеродные наноматериалы могут стать эффективной основой для водородных хранилищ. Их легко производить, они характеризуются высокой термической и химической стабильностью, но сами по себе слабо связывают водород. Нужных результатов можно добиться, если на поверхность пористого углеродного материала добавить более активные сорбционные центры, например, легируя его литием.

Исследованная углеродная основа, карбин, уже была синтезирована, но вопрос о том, обладает ли декорированный литием карбин свойствами, необходимыми для создания эффективных водородных хранилищ, оставался открытым. Компьютерное моделирование показало, что такой материал хорошо удерживает водород и способен накапливать его в необходимых количествах.

«Исследование проводилось с использованием суперкомпьютерных ресурсов: шведских центров SNIC и HPC2N и Лаборатории суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ. Мы использовали разное программное обеспечение, в том числе NanoView, разработанное кандидатом физико-математических наук, преподавателем Института естественных и точных наук (ИЕТН) Сергеем Созыкиным. Компьютерное моделирование, активно применяемое в современном материаловедении, позволяет тестировать огромное количество возможных материалов и выбирать те, которые обладают всеми необходимыми свойствами, – рассказывает аспирант Екатерина Аникина. – Благодаря этому сокращаются ресурсы (в том числе и временные), которые могли быть затрачены на экспериментальный поиск материала. Результаты, которые мы получили для легированного литием карбина, подтверждают его привлекательность как материала для водородных хранилищ, а значит, эту структуру стоит получить и экспериментально».

Свою работу исследователи из ЮУрГУ называют «проводником для экспериментов». Это значит, что компьютерное моделирование может указать на новые материалы с необходимыми свойствами, заслуживающие внимания ученых-экспериментаторов.

«Основу материала составляют карбиновые нити – углеродные цепочки, обладающие рекордной удельной поверхностью и высокой прочностью, но способные удерживать водород только при очень низких температурах, – пояснил профессор, доктор физико-математических наук (кафедра «Физика наноразмерных систем» ИЕТН) Валерий Бескачко. Атомы лития, напротив, хорошо связываются с карбином и в то же время связывают водород достаточно сильно для того, чтобы образовавшийся комплекс «карбин-атом лития-молекулы водорода» не распадался при температурах в районе комнатной, то есть при температурах предполагаемой эксплуатации хранилищ. Таким образом, литий на карбине играет роль клея для молекул водорода, которых сам карбин удержать не может».

В ИЕТН продолжат исследование материалов, которые обладают подходящими для создания водородных хранилищ свойствами. Сейчас ведется ряд работ, результаты которых в будущем найдут отражение в научных статьях.

Челябинск, Ольга Арсентьева

© 2020, РИА «Новый День»