Rusijos mokslininkai vandenilio energetiką padarys pigesnę ir saugesnę

Rusijos mokslininkai kuria naujus aplinkai nekenksmingus katalizatorius vandenilio gamybai iš vandens

VILNIUS, sausio 16 — Sputnik. Šiandien mokslininkai visame pasaulyje atlieka vandenilio energijos plėtros tyrimus. Rusijos Nacionalinio branduolinių tyrimų universiteto "MIFI" Lazerinių ir plazmenių technologijų institutas kuria naujus aplinkai nekenksmingus katalizatorius vandenilio gamybai iš vandens, taip pat medžiagas gautam kurui laikyti ir transportuoti. Gauti rezultatai padės vandenilio energiją padaryti pigesnę, draugiškesnę aplinkai ir saugesnę, mano universiteto mokslininkai, praneša RIA Novosti.

Vandenilio gavimas

Yra keli vandenilio gamybos būdai, vienas iš paprasčiausių — elektrolizė — yra vandens skaldymas veikiant elektros srovei. Elektros srovės šaltinis gali būti tiek aplinką tausojančios saulės baterijos, tiek atominės elektrinės, kurios taip pat nenaudoja anglies kuro.

"MIFI" mokslininkai aktyviai dalyvauja kuriant naujus elektrodus, reikalingus efektyviai elektrolizei. Tam reikalingos gana pigios medžiagos, o jų komponentai turi būti paplitę gamtoje, todėl mokslininkai kuria naujas nanostruktūrines medžiagas.

Pavyzdžiui, molibdeno sulfidą galima gauti iš natūralaus mineralo molibdenito koncentrato, kurio tona yra 10 milijardų kartų pigesnė už toną platinos — veiksmingiausio vandens skaldymo katalizatoriaus, pranešė Lazerinių ir plazmenių technologijų instituto profesorius Viačeslavas Fominskis.

Pasak jo, norint suteikti molibdeno sulfidui tokias pačias unikalias katalizines savybes kaip ir platinai, reikia gauti jo nano dydžio amorfines sankaupas arba itin plonus ir net vienasluoksnius kristalus. Norint sukurti labai efektyvius elektrodus, reikia uždėti plonas naujų nanomedžiagų plėveles, kurių storis siekia mikrometrų daleles, ant gana pigių anglies plokštelių.

Laboratorijos darbuotojai sukūrė lazerinių metodų kompleksą, leidžiantį lanksčiai kontroliuoti plonų plėvelių uždėjimo ant elektrodų sąlygas ir gauti plėveles su reikiama chemine sudėtimi ir optimaliu atomų įpakavimu.

"Mes naudojame lazerio spinduliuotę taikiniams iš molibdeno disulfido garinti ir jonizuoti. Parinkdami taikinio lazerinio švitinimo intensyvumą ir sąlygas lazerio plazmai išlakioti iki elektrodo, mes auginame reikiamų charakteristikų plėveles. Mūsų aplinkai nekenksmingi metodai leidžia gauti katalizatorius, kurie nenusileidžia geriausiems pasaulio pavyzdžiams, gautiems naudojant pavojingus reagentus", — pasakė jis.

Kitas svarbus uždavinys, kurį sprendžia "MIFI" mokslininkai, yra susijęs su tradicinių elektros energijos šaltinių naudojimo mažinimu ir aktyviu saulės energijos naudojimu. Naujų katalizinių nanomedžiagų puslaidininkinės savybės leidžia padaryti ir šitą.

"Mūsų kuriamos lazerinės technologijos leidžia ne tik sukurti perspektyvias naujas katalizatoriaus plėveles, bet ir padidinti saulės energijos transformacijos efektyvumą pačiuose puslaidininkiniuose elektroduose. Šviesai paveikiant susidarę elektronai prasiskverbia į katalizatoriaus plėvelę ir pasiekia jos paviršių, kur ir susidaro vandenilio molekulė dėl jonizuotų vandenilio atomų neutralizavimo. Pasiekėme beveik 10 procentų vandenilio gamybos efektyvumą. Šis dydis nenusileidžia ir užsienyje tyrimų, atliktų su panašiomis medžiagomis, naudojant aplinkai kenksmingus cheminės medžiagos sintezės metodus, rezultatus", — pažymėjo Fominskis.

Rusijos mokslo fondas aktyviai remia tokius tyrimus, įskaitant projektą Nr. 19-19-00081.

Vandenilio kaupimas ir saugojimas

Kaip ir bet kurį kitą kurą, vandenilį reikia kažkur kaupti ir saugoti. Yra trys pagrindiniai konkuruojantys vandenilio kaupimo ir saugojimo būdai, kurie atitinka tris pagrindines medžiagos būsenas (dujos, skystis ir kietasis kūnas).

Dujinėje būsenoje vandenilis suspaudžiamas iki aukšto slėgio ir laikomas storasieniuose balionuose, kaip ir paprastos gamtinės dujos. Norint paversti vandenilį į skystą būseną, jis turi būti atvėsintas iki labai žemos temperatūros (apie -250˚С). Kartu didėja jo tankis, tame pačiame tūryje galima sukaupti žymiai didesnį vandenilio kiekį.

Trečiasis saugojimo būdas — kai kurių metalų prisotinimas vandeniliu (hidrinimas), susidarant naujoms kietojo kūno struktūroms. Susidariusiuose hidriduose vandenilio tankis yra milžiniškas, vienam metalo atomui gali atitekti iki keturių vandenilio atomų.

Kiekvienas metodas turi savų privalumų ir trūkumų, tačiau daugeliu atvejų pirmenybė teikiama kietojo kūno kaupikliams. Nacionalinio branduolinių tyrimų universiteto Lazerinių ir plazmenių technologijų instituto Plazmos sąveikos su paviršiumi ir plazmos technologijų laboratorijos darbuotojai tiria vandenilio elgseną metaluose, įskaitant kietojo kūno kaupikliuose, pranešė laboratorijos vadovas profesorius Aleksandras Pisarevas.

"Kaupiklis yra talpykla, pripildyta smulkių (mikrono dydžio) metalo miltelių. Ji "įkraunama" vandeniliu, kaitinant miltelius vandenilio atmosferoje, o po to "išsikrauna" kaitinant, išleisdama vandenilį, kad jis būtų naudojamas kuro cikle. Kitas kietojo kūno kaupiklių tipas yra plėveliniai kaupikliai, kuriuose vandenilio atmosferoje ant plonos juostelės uždedamas plonas vandenilio aktyvaus metalo sluoksnis.Vieno ciklo metu vyksta ir metalo uždėjimas, ir jo prisotinimas vandeniliu", — papasakojo jis.

Pasak eksperto, nemažas plėvelės kaupiklių pliusas yra suveikimo greitis, kuris iš esmės svarbus daugeliui programų. Jie akimirksniu įkaista nuo elektros srovės, praleidžiamos per ploną metalo sluoksnį, o miltelių akumuliatoriai yra inertiškesni ir reikalauja laiko miltelių įšilimui.

Norint sukurti plėvelės kaupiklius, labai svarbu pasirinkti tinkamą vandenilio aktyvią medžiagą ir sukurti jos uždėjimo technologijas. Šiuos klausimus sprendžia "MIFI" darbuotojai.

"Iš pirmo žvilgsnio viskas labai paprasta: prisotinome vandenilio, pakaitinome, ir viskas. Tačiau į šį procesą įtaką daro itin daug faktorių. Norint ištirti vandenilio elgseną plonose plėvelėse, mūsų laboratorija sukūrė unikalų eksperimentinį įrenginį, kuris leidžia uždėti plėveles griežtai kontroliuojamomis sąlygomis, prisotinti jas vandeniliu tiek uždėjimo metu, tiek po jo, ir tirti vandenilio išsiskyrimą iš plėvelių programuojamos terminės desorbcijos būdu. Kiekviena iš operacijų atliekama savo vakuuminėje kameroje su mėginio perkėlimu tarp kamerų be sąlyčio su atmosfera", — pažymėjo Pisarevas.

Naudodami šį įrenginį laboratorijos darbuotojai tikisi gauti įdomių mokslinių ir taikomųjų rezultatų. Tyrimai vykdomi pagal programą "Prioritetas — 2030".