Несмотря на высокую стоимость, низкую надежность и потенциальные риски, литий-ионные аккумуляторы продолжают активно продвигать некоторые компании, в том числе Tesla Motors, как единственный приемлемый источник энергии для современных и будущих электромобилей. Однако стоит вспомнить, что не так давно водородные топливные элементы также рассматривались в качестве перспективного источника питания для автомобилей. Широкому внедрению этой технологии препятствовало и продолжает препятствовать отсутствие безопасных и эффективных методов хранения водорода. Ученые из университета Райс, работая по заказу Министерства Энергетики США, разработали несколько разновидностей наноматериалов на основе графена с “столбами” из нитридных нанотрубок. Полученный материал полностью соответствует, а в ряде аспектов превосходит требования Министерства Энергетики к параметрам хранения водорода.
Справедливости ради следует отметить, что новый гибридный наноматериал пока существует лишь в виде компьютерных моделей. Но, как показывает практика, в большинстве случаев свойства реального материала не сильно отличаются от свойств и параметров, полученных в результате теоретических расчетов.
Согласно требованиям DoE, разрабатываемый материал должен обладать способностью к хранению водорода в количестве, масса которого составляет минимум 5.5 процентов от массы материала. Этот “норматив” ученые из университета Райс перевыполнили в несколько раз, их материал способен хранить водород в количестве 12 процентов от его веса в нормальных условиях. А при охлаждении материала до температуры в -196 градусов Цельсия количество хранимого водорода увеличивается до 15 процентов.
Для того, чтобы получить столь внушительные числа, исследователи изучили множество комбинаций различных наноматериалов. В качестве этих материалов использовался обычный графен, монослойный нитрид бора (борографен), углеродные нанотрубки и нанотрубки из нитрида бора как в чистом виде, так и с примесями других химических элементов, лития, кислорода и водорода. Но наилучшие результаты показал графен с нанотрубками из нитрида бора, в определенные места которого были внедрены атомы кислорода.
В получившееся гибридном материале за счет притягивающих сил Ван Дер Вальса образуются устойчивые связи между самим материалом и атомами водорода, которыми насыщается материал. Этому, во многой степени, благоприятствует наличие атомов кислорода, с которыми, как известно, водород образует одно из самых стабильных химических соединений – воду.
“Добавление кислорода в основу материала дает нам хорошее соединение водорода с материалом из-за природы зарядов этих частиц и их взаимодействий” – рассказывает Роуцбе Сасавари (Rouzbeh Shahsavari), ученый-материаловед из университета Райс, – “Как всем известно, водород и кислород достаточно хорошо совмещаются друг с другом с химической точки зрения”.
Помимо большой емкости по отношению к водороду, новый гибридный материал способен выдержать большее количество циклов его “заправки”, которое превышает 1.5 тысячи согласно требованиям Министерства Энергетики, и он способен работать в достаточно широком диапазоне давлений, температур и прочих параметров.
Отечественные исследования
Минниханов поручил «Татнефтехиминвест-холдингу», Минсельхозпроду Татарстана подключиться к проекту. «Нэфису» предложено обратить внимание на проект по моющим средствам, Казанскому производственному авиационному объединению (КАПО) и нефтяным компаниям – на композиты и углеродные трубки.
Углеродный наноматериал для замены платины
Чудовищно высокая для простого потребителя цена водородных автомобилей объясняется наличием в их составе топливных элементов очень редкого благородного металла — платины. Для сравнения: электромобиль примерно в 3 раза дороже авто с ДВС, а водородный автомобиль в 3 раза дороже электромобиля, и разница получается в неподъемные 9 раз. Но ученые Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН разработали новый наноматериал, который может стать альтернативой дорогостоящей платины.
Что такое топливные элементы? Это устройства, которые преобразуют химическую энергию водорода и кислорода в электрическую без выделения вредных выбросов. Самым активным и стабильным катализатором для топливных элементов является платина. Однако этот металл очень дорогой и очень редкий. Поэтому ученым нужно было найти менее дорогостоящий катализатор для топливных элементов. И у них получилось.
«Нам удалось улучшить свойства углеродного наноматериала. Полученный графен, легированный бором, можно использовать в качестве сенсоров, сорбентов, фотокатализаторов и электрокатализаторов. Кроме того, материал обладает полезными свойствами в электрокаталитических реакциях восстановления кислорода, которые протекают при работе топливных элементов. Эти свойства помогают преобразовать химическую энергию в электрическую», — приводит издание «Наука в Сибири» слова ведущего научного сотрудника ИК СО РАН Владимира Чеснокова.
Графен — один из слоев графита толщиной в атом. Он имеет ряд уникальных свойств: является самым тонким и прочным материалом в мире; обладает высокой тепло- и электропроводностью; весьма гибкий. Также неотъемлемым плюсом графена является способность изменять свою структуру под воздействием различных факторов. К тому же графен гораздо выгоднее в качестве катализатора, чем платина.
Ранее Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за первое получение графена на практике. Они использовали метод эксфолиации, который сводится к уменьшению количества монослоев в графите. Однако главным недостатком такого метода является невозможность масштабирования.
Сейчас российские ученые использовали темплатный метод получения графена.
Этот метод не только легко масштабируется, но и позволяет улучшить свойства углеродного наноматериала.
Будущее автомобилестроения — за графеном
Таким образом, применение графена, легированного бором, позволит сделать топливные элементы дешевле в разы, хотя не отрицаем, что в заголовке мы погорячились.
Но углерод — довольно распространенный на Земле материал, и технологии массового производства графена в России имеются. Поэтому если масштабировать производство и хоть частично монополизировать рынок, а Россия уже практически монополизировала производство графеновых нанотрубок, то огромные объемы выпуска графена действительно сделают водородные топливные элементы на порядок более дешевыми, чем те же аккумуляторы у электромобилей.
