Научные достижения химического факультета
09.02.2022
Химики МГУ увеличили эффективность генераторов водорода почти до максимума
Сотрудники
лаборатории химии высоких давлений кафедры химической технологии и новых
материалов Химического факультета МГУ Людмила Севастьянова, Семен Клямкин и
Владимир Ступников под руководством заведующего лабораторией Бориса Булычева
усовершенствовали реакцию взаимодействия гидрида магния с водой, перспективную
для генерации водорода, используемого в топливных элементах. Авторы работы
установили, что добавление солей щелочных металлов, аммония и/или магния увеличивает
выход водорода с 22% практически до 100 %, при этом скорость потока водорода возрастает
в 8 раз. Работа опубликована в издании International Journal
of Hydrogen Energy
Автономные
источники водорода используются для питания компактных топливных элементов
небольшой мощности: зарядных устройств для электроники или систем
электропитания потребителей, находящихся в далеких и изолированных местах.
Наиболее доступный способ получения водорода для таких источников -
взаимодействие легкого металла (алюминия или магния) или его гидрида с водой.
Сами по себе гидриды по сравнению с металлами более эффективны, потому что
содержат "свой" водород, выделяющийся в реакции окисления в дополнение к
водороду из воды. Однако в обычных условиях алюминий, магний и их гидриды с
водой взаимодействуют крайне неохотно, поэтому ученые активно ищут способы
повышения их реакционной способности.
–
"Смысл нашей работы – подобрать методы подготовки материалов и простые водные
растворы так, чтобы их взаимодействие сопровождалось наибольшим количеством
выделяемого водорода и достаточно высокой скоростью, – объяснил соавтор
исследования, д.х.н., профессор Семен
Клямкин. – Сейчас существуют два
подхода к решению этой задачи. Первый заключается в модификации самого
водородгенерирующего материала с применением методов механохимии. Активность
металлов и гидридов в реакции окисления водой повышается в этом случае не
только за счет формирования дефектов кристаллической решетки, но и благодаря
введению легирующих добавок. Для магния это металлы триады железа, создающие с
магнием гальванические пары. Для алюминия - галлий и индий, разрушающие
зёренную структуру (эффект Ребиндера). Есть другое, очень простое с химической
точки зрения решение – использовать кислоту или щелочь для растворения металлов
или их гидридов. Такие реакции проходят быстро и эффективно. Однако химические
свойства кислот и щелочей сильно ограничивают их применение. Пришлось искать
что-то более нейтральное".
Как
пояснил профессор Клямкин, некоторые научные группы предлагают растворять
металлы в присутствии гидролизующихся в воде солей металлов: хлоридов алюминия,
никеля, железа, цинка, и др. При их взаимодействии с водой образуются либо
кислые, либо щелочные среды, которые помогают металлу растворяться и повышают
выход водорода. Но возникающая кислая или щелочная среда ограничивает технологическую
пригодность процесса по тем же причинам, что и применение чистых кислот или
щелочей.
–
"Мы предложили использовать для окисления гидрида магния нейтральные солевые
растворы, например, хлориды и бромиды аммония или магния – рассказал Семен
Клямкин. – С участием таких солей можно добиться практически 100 % выхода водорода
в этой реакции без изменения кислотности раствора. А главное, что она идет
намного быстрее".
Механизм
действия солей пока до конца не понятен. Наиболее вероятно, что в процессе
реакции с водой на поверхности гидрида образуются нерастворимые гидроксиды,
которые препятствует дальнейшему проникновению воды и фактически останавливают реакцию.
Присутствие солей за счет комплексообразования способствует растворению этих
гидроксидов или просто делает их более "рыхлыми".
В
будущих исследованиях авторы планируют продолжать разработку методов активации,
позволяющих расширить применение магния, алюминия и их гидридов в качестве
относительно дешевых и простых в получении генераторов водорода.
Ссылка на статью:
L.G. Sevastyanova, S.N. Klyamkin, V.A. Stupnikov, B.M. Bulychev
Disposable hydrogen generators: Magnesium hydride oxidation in aqueous salts solutions
International Journal of Hydrogen Energy
Volume 47, Issue 1, 2022, Pages 92-101
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.256
Предыдущие публикации авторов по теме:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319919344507
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319917322267
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319915016705
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838816325300
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319914002614
Автор: Юлия Чернова /пресс-служба химического факультета МГУ
