Нанотрубки – ёмкости для хранения водорода, самого чистого топлива

Запасы угля, нефти и газа на Земле ограничены. Кроме того, сжигание обычных видов топлива приводит к накоплению углекислого газа и других вредных примесей в атмосфере, а это в свою очередь – к глобальному потеплению, признаки которого человечество уже испытывает на себе. Поэтому сегодня перед человечеством стоит очень важная задача – чем в будущем заменить традиционные виды топлива?

Выгоднее всего в качестве топлива использовать самый распространённый химический элемент во Вселенной – водород. При окислении (сгорании) водорода образуется вода, и эта реакция идёт с выделением очень большого количества тепла (120 кДж/кг). Для сравнения, удельная теплота сгорания бензина и природного газа в три раза меньше, чем у водорода. Следует также учесть, что при сгорании водорода не образуется вредных для экологии оксидов азота, углерода и серы.

Предложено довольно много достаточно дешёвых и экологически чистых способов получения водорода, однако, хранение и транспортировка водорода до сих пор являлись одной из нерешённых проблем водородной энергетики. Причиной этого служит очень маленький размер молекулы водорода. Из-за этого водород может проникать через микроскопические щели и поры, присутствующие в обычных материалах, а его утечка в атмосферу может приводить к взрывам. Поэтому стенки баллонов для хранения кислорода следует более толстыми, что делает их более тяжёлыми. В целях безопасности лучше охлаждать баллоны с водородом до нескольких десятков К, что ещё больше удорожает процесс хранения и транспортировки этого топлива.

Решением проблемы хранения и транспортировки водорода может стать устройство, играющее роль «губки», которая обладала бы способностью всасывать водород и удерживать его неограниченно долго. Очевидно, что такая водородная «губка» должна обладать большой поверхностью и химическим сродством к водороду. Все эти свойства присутствуют у углеродных нанотрубок.

Как известно у углеродных нанотрубок все атомы на поверхности. Один из механизмов поглощения водорода нанотрубками – хемосорбция, то есть адсорбция водорода H₂ на поверхности трубки с последующей диссоциацией и образованием химических связей C–H. Связанный таким образом водород можно извлечь из нанотрубки, например, при нагреве до 600 ^оС. Кроме того, молекулы водорода связываются с поверхностью нанотрубок путём физической адсорбции посредством ван-дер-ваальсова взаимодействия.

Считается, что самым эффективным использованием водорода в качестве топлива является его окисление в топливном элементе (рис. 46), в котором происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Таким образом, топливный элемент аналогичен гальваническому элементу, но отличается от него тем, что вещества, участвующие в реакции непрерывно подаются в него извне.

Рисунок 46. Схематическое изображение топливного элемента, состоящего из двух электродов, разделенных электролитом. К аноду подводят водород, который, проникая в электролит через очень мелкие поры в материале электрода и участвуя в реакции хемосорбции, превращается в положительно заряженные ионы. К катоду подводят кислород и удаляют воду, продукт реакции. Для ускорения реакции применяют катализаторы. Электроды топливного элемента соединяют с нагрузкой (лампа).

Как считают исследователи, для создания эффективного топливного элемента необходимо создать водородную «губку», каждый кубический метр которой содержал не менее 63 кг водорода. Другими словами, масса хранящегося в «губке» водорода должна составлять не менее 6,5 % массы «губки». В настоящее время с помощью нанотехнологий в экспериментальных условиях удалось создать водородные «губки», масса водорода в которых превышает 18 %, что открывает широкие перспективы для развития водородной энергетики.