Американские химики предложили новый материал для хранения водорода, который состоит из плоских слоев гексагонального нитрида бора, разделенных между собой нанотрубками из этого же соединения. C помощью компьютерного моделирования ученые показали, что при комнатной температуре даже без введения дополнительных ионов металлов такой материал может связывать до 8,65 массовых процента водорода — это рекордное значение для недопированных материалов. По емкости такой комплексный нитрид бора уступает только материалам на основе гидридов металлов, но при этом заметно превосходит их по скорости и энергии связывания водорода, пишут ученые в Small.

Один из наиболее перспективных видов экологически чистого топлива для источников питания — водород. Именно окисление водорода до воды используется для получения электроэнергии в большинстве топливных элементов. Одна из проблем использования водорода связана с его хранением: молекула водорода очень маленькая, поэтому, чтобы водород при высоких давлениях, например, не проникал сквозь стенки баллонов, для хранения необходимо использовать материалы, которые связывают водород химически. Обычно для этого используются металлы, для которых характерно обратимое образование гидридов, в частности магний и литий, однако такие материалы требуют довольно высоких температур и давлений для связывания и освобождения водорода и делают это слишком медленно.

В качестве альтернативных материалов, которые способны связывать не меньшее количество водорода, чем гидриды металлов, но при этом превосходят их по своим кинетическими и термодинамическим свойствам, ученые предлагают несколько различных вариантов: металл-органические каркасы, углеводороды, пористые углеродные соединения, в том числе графен. Однако пока их емкость остается довольно невысока, и при комнатной температуре массовая доля связанного водорода в этих материалах не превосходит восьми процентов.

Американские химики из Университета Райса Рузбех Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari) и Шо Чжао (Shuo Zhao) предложили для хранение водорода использовать другой двумерный кристалл — нитрид бора. Известно, что нитрид бора способен адсорбировать водород лучше большинства углеродных материалов, но основная задача, которую надо решить для оптимизации его использования — правильный подбор структуры материала, которая позволяет обратимо связывать большой процент водорода (как по массе, так и по объему) при комнатной температуре. В данной работе ученые рассмотрели материал необычной архитектуры, в котором отдельные плоские слои гексагонального нитрида бора соединены между собой «колоннами», которые представляют собой нанотрубки из того же нитрида бора. Исследование проводилось с помощью компьютерного моделирования, которое включало в себя квантово-химические расчеты и статистическое моделирование методом Монте-Карло.

Общая схема построения материала на основе двумерного нитрида бора. Зеленым цветом обозначены ионы лития, которые можно внедрить в структуру для улучшения его адсорбционных свойств
Общая схема построения материала на основе двумерного нитрида бора. Зеленым цветом обозначены ионы лития, которые можно внедрить в структуру для улучшения его адсорбционных свойств

Ученые исследовали несколько модификаций такого материала, изменяя частоту расположения бор-нитридных колонн и их длину, а также дополнительно вводя в структуру материала ионов лития, которые за счет образования гидридов повышают массу водорода, который можно связать. Эффективность материала в качестве поглотителя водорода авторы работы оценили при различных температурах и давлениях.

Оказалось, что наиболее эффективными поглотителями водорода служат бор-нитридные материалы с высотой колонн около 1 нанометра и расстоянием друг от друга около 2,6 нанометров. При комнатной температуре и давлении в 100 атмосфер такие материалы в чистом виде способны связывать до 5,5 процента водорода по массе и более 30 процентов — по объему. При охлаждении до температуры жидкого азота как массовая, так и объемная доля водорода повышается в полтора — два раза: и первая достигает 13 процентов, а вторая — превосходит 60. При этом при понижении температуры резко повышается эффективность материала с увеличенной длиной колонн.

Кроме того, если в структуру нитрида бора дополнительно вводить литий, то емкость материала по массе для каждого из материалов увеличивается примерно на 2 процента, а емкость по объему — примерно на 20 процентов.

Несколько вариантов структуры нитрида бора, в чистом виде (первый и третий столбцы) и допированного литием (второй и четвертый столбцы). Белым цветом обозначены атомы водорода
Несколько вариантов структуры нитрида бора, в чистом виде (первый и третий столбцы) и допированного литием (второй и четвертый столбцы). Белым цветом обозначены атомы водорода

Авторы работы отмечают, что измеренная с помощью моделирования максимальная массовая доля водорода, который можно связать с помощью предложенного материала в чистом виде при комнатной температуре, составила 8,65 процентов — это рекордное значение для недопированных металлами материалов. Это значение уступает аналогичным показателям на основе гидридов металлов, но при этом нитрид бора заметно выигрывает у гидридов по скорости и энергии связывания и освобождения водорода. Кроме того, такой материал можно использовать, например, в качестве матрицы для отдельных ионов или даже наночастиц металлов, увеличивая суммарную емкость материала.