Гідрид магнію: ключ до стійкого зберігання енергії?

Легко бути оптимістичним щодо водню як ідеального палива. Набагато складніше вирішити абсолютно фундаментальну проблему: як це паливо ефективно зберігати? Спільні зусилля швейцарських і польських фізиків-експериментаторів і теоретиків виявили, чому попередні спроби використання гідриду магнію для зберігання водню не виправдали очікувань і чому майбутні спроби можуть бути успішними.

Водень давно розглядається як енергоносій майбутнього. Однак перш ніж це стане реальністю в енергетичному секторі, необхідно розробити ефективні методи його зберігання. Оптимальним рішенням є матеріали, вибрані таким чином, щоб при низьких витратах енергії в них можна було спочатку ввести водень, а потім відновити його за потреби, бажано в умовах, схожих на типові для нашого повсякденного середовища. Перспективним кандидатом на зберігання водню є магній.

Однак для перетворення його на гідрид магнію потрібен відповідний ефективний каталізатор, який ще не знайдено. Робота групи вчених з Empa – Швейцарської федеральної лабораторії матеріалознавства та технології в Дюбендорфі, хімічного факультету Цюріхського університету, а також Інституту ядерної фізики Польської академії наук (IFJ PAN) у Кракові показали, що причина багатьох років невдач полягала в неповному розумінні явищ, які відбуваються з магнієм під час впорскування водню.

Теоретичні та експериментальні ідеї

Основною перешкодою для використання водню як джерела енергії є складність його зберігання. У все ще рідкісних автомобілях, що працюють на водні, він зберігається в стисненому вигляді під тиском близько 700 атмосфер. Це не найдешевший і не найбезпечніший метод, і він мало пов’язаний з ефективністю: в одному кубометрі міститься лише 45 кг водню.

Цей же об’єм може вмістити 70 кг водню, якщо його попередньо сконденсувати. На жаль, процес зрідження потребує великої кількості енергії, а надзвичайно низьку температуру, близько 20 Кельвінів, необхідно підтримувати під час зберігання. Альтернативою можуть бути відповідні матеріали, наприклад, гідрид магнію, який може вмістити до 106 кг водню в кубометрі.

Гідрид магнію є одним з найпростіших матеріалів, перевірених на здатність зберігати водень. Його вміст тут може досягати 7,6% (по масі). Таким чином, пристрої з гідриду магнію досить важкі, тому в основному підходять для стаціонарного застосування. Однак важливо відзначити, що гідрид магнію є дуже безпечною речовиною і його можна без ризику зберігати, наприклад, у підвалі, а сам магній є легкодоступним і дешевим металом.

Уявлення про обмеження гідриду магнію

«Дослідження включення водню в магній тривали десятиліттями, але вони не привели до рішень, які могли б розраховувати на ширше використання», — каже професор Збігнєв Лодзяна (IFJ PAN), фізик-теоретик, який є співавтором статті. in Advanced Science , де було представлено останнє відкриття.

«Одним із джерел проблем є сам водень. Цей елемент може ефективно проникати в кристалічну структуру магнію, але тільки тоді, коли він присутній у вигляді окремих атомів. Щоб отримати його із типового молекулярного водню, потрібен досить ефективний каталізатор, щоб зробити процес міграції водню в матеріалі швидким і енергетично життєздатним. Тож усі шукали каталізатор, який відповідає вищевказаним умовам, на жаль, без особливого успіху. Сьогодні ми нарешті знаємо, чому ці спроби були приречені на провал».

Професор Лодзяна розробив нову модель термодинамічних і електронних процесів, що відбуваються в магнії в контакті з атомами водню. Модель передбачає, що під час міграції атомів водню в матеріалі утворюються локальні, термодинамічно стабільні кластери гідриду магнію. На межі між металевим магнієм і його гідридом відбуваються зміни в електронній структурі матеріалу, і саме вони відіграють значну роль у зниженні рухливості іонів водню. Іншими словами, кінетика утворення гідриду магнію в основному визначається явищами на його межі з магнієм. Цей ефект досі не враховувався в пошуках ефективних каталізаторів.

Теоретична робота професора Лодзяни доповнює експерименти, проведені в швейцарській лабораторії в Дюбендорфі. Тут досліджували міграцію атомарного водню в шарі чистого магнію, напиленого на паладій, у камері надвисокого вакууму. Вимірювальний апарат був здатний реєструвати зміни в стані кількох зовнішніх атомних шарів досліджуваного зразка, спричинені утворенням нової хімічної сполуки та пов’язаними з цим перетвореннями електронної структури матеріалу. Модель, запропонована дослідником з IFJ PAN, дозволяє нам повністю зрозуміти результати експерименту.

Досягнення швейцарсько-польської групи фізиків не тільки прокладають шлях для нових пошуків оптимального каталізатора для гідриду магнію, але й пояснюють, чому деякі з раніше знайдених каталізаторів показали вищу ефективність, ніж очікувалося.

«Є багато чого, що свідчить про те, що відсутність значного прогресу у зберіганні водню в магнію та його сполуках була просто пов’язана з нашим неповним розумінням процесів, пов’язаних із транспортуванням водню в цих матеріалах. Десятиліттями всі ми шукали кращих каталізаторів, але не там, де мали б шукати. Тепер нові теоретичні та експериментальні результати дозволяють знову з оптимізмом думати про подальші вдосконалення методів введення водню в магній», – підсумовує професор Лодзяна.