Ученые ЮУрГУ смоделировали материал для мобильных хранилищ водорода
Разработка компактных водородных хранилищ позволит перейти к эффективному использованию «зеленой» энергии в инфраструктуре «умных» мегаполисов. Статья о свойствах легированного литием одномерного углеродного материала, карбина, опубликована в одном из журналов первого квартиля «Sustainable Energy and Fuels» (топ-25%). Курс на экологичность, по которому движется современный мир, неизбежно приведет к сокращению использования углеводородного топлива. Уже сегодня все большее внимание исследователей получают альтернативные источники энергии, например, солнце или ветер. Одна из задач, которую сейчас решают ученые, – хранение и транспортировка энергии, полученной из альтернативных источников. Водород может стать эффективным и экологически чистым энергоносителем. Для удобства его использования необходимы компактные и безопасные хранилища, в которых можно перевозить вещество. Существующие технологии (сжижение и хранение под давлением) не позволяют создать хранилища, удовлетворяющие всем выдвигаемым требованиям. Исследователи из Южно-Уральского государственного университета профессор, д.ф.-м.н. Валерий Бескачко и аспирант Екатерина Аникина (кафедра «Физика наноразмерных систем» Института естественных и точных наук) работают над поиском материала для принципиально отличающихся водородных хранилищ – твердотельных. По мнению исследователей из ЮУрГУ, углеродные наноматериалы могут стать эффективной основой для водородных хранилищ. Их легко производить, они характеризуются высокой термической и химической стабильностью, но сами по себе слабо связывают водород. Нужных результатов можно добиться, если на поверхность пористого углеродного материала добавить более активные сорбционные центры, например, легируя его литием. Исследованная углеродная основа, карбин, уже была синтезирована, но вопрос о том, обладает ли декорированный литием карбин свойствами, необходимыми для создания эффективных водородных хранилищ, оставался открытым. Компьютерное моделирование показало, что такой материал хорошо удерживает водород и способен накапливать его в необходимых количествах. «Исследование проводилось с использованием суперкомпьютерных ресурсов: шведских центров SNIC и HPC2N и Лаборатории суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ. Мы использовали разное программное обеспечение, в том числе NanoView, разработанное к.ф.-м.н., преподавателем ИЕТН Сергеем Созыкиным. Компьютерное моделирование, активно применяемое в современном материаловедении, позволяет тестировать огромное количество возможных материалов и выбирать те, которые обладают всеми необходимыми свойствами. Благодаря этому сокращаются ресурсы (в том числе и временные), которые могли быть затрачены на экспериментальный поиск материала. Результаты, которые мы получили для легированного литием карбина, подтверждают его привлекательность как материала для водородных хранилищ, а значит, эту структуру стоит получить и экспериментально», – рассказала Екатерина Аникина. Проделанную работу исследователи из ЮУрГУ называют «проводником для экспериментов». Это значит, что компьютерное моделирование может указать на новые материалы с необходимыми свойствами, заслуживающие внимания ученых-экспериментаторов. «Основу материала составляют карбиновые нити — углеродные цепочки, обладающие рекордной удельной поверхностью и высокой прочностью, но способные удерживать водород только при очень низких температурах. Атомы лития, напротив, хорошо связываются с карбином и в то же время связывают водород достаточно сильно для того, чтобы образовавшийся комплекс „карбин-атом лития-молекулы водорода“ не распадался при температурах в районе комнатной, то есть при температурах предполагаемой эксплуатации хранилищ. Таким образом, литий на карбине играет роль клея для молекул водорода, которых сам карбин удержать не может», – объяснил профессор Валерий Бескачко. В ИЕТН продолжат исследование материалов, которые обладают подходящими для создания водородных хранилищ свойствами. Сейчас ведется ряд работ, результаты которых в будущем найдут отражение в научных статьях. Южно-Уральский государственный университет – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегий научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В рамках данных направлений исследуются объекты металлургии, машиностроения, энергетики, ЖКХ, безопасного пространства городской инфраструктуры и комфорта человека. ЮУрГУ – участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.