НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Аккумулирование водорода в углеродных нанотрубках: перспективы использования в топливных элементах

М. Дресселхаус, А. Брехер[63]

В «Водородной программе» Министерства энергетики США (1992, DOE/CH10093-147) указывается, что для создания эффективных топливных
элементов необходимо добиться аккумулирующей способности углерода по отношению к водороду около 63 кг Н2/м3 (6,5 вес.%). Исследования показыва­ют, что углеродные нанотрубки обладают уникальными структурными и мор­фологическими особенностями, позволяющими одновременно обеспечить высокую аккумулирующую способность по отношению к газообразному водо­роду и требуемые характеристики процессов адсорбции и десорбции.

Углеродные нанотрубки представляют собой реализацию гексагональной решетки графита в виде однослойной трубки диаметром около 1 нм (по окруж­ности цилиндра располагаются примерно 20 атомов) и длиной несколько мик­рометров, что обеспечивает отношение длины трубки к ее диаметру более 10 ООО. Количество адсорбированного в виде монослоя газообразного водоро­да на поверхности графита (при низких температурах и плотной упаковке) мо­жет достигать 4,1 вес.%. Молекулы Н2 при таких оценках рассматриваются как шары с динамическим радиусом 2,89 А. Нанотрубки значительно удобнее и практичнее графита в качестве поглощающей водород среды, поскольку они удерживают водород даже при комнатной температуре, а их изогнутая поверх­ность увеличивает энергию связи молекул водорода с графитом. Более того, при получении однослойных трубок образуются «связки», представляющие собой плотно упакованные треугольные решетки из параллельно уложенных цилиндров, расстояние между которыми составляет 3,4 А, что почти точно со­ответствует расстоянию между соседними слоями в графите. Такая треуголь­ная укладка нанотрубок увеличивает аккумулирующую способность системы за счет возникающих в ней пустот.

Геометрическая упаковка молекул водорода внутри однослойных углерод­ных трубок обеспечивает аккумулирование в количестве 3,3 вес.%. Объемы пу­стот добавляют к этой величине еще 0,7 вес.%, что доводит полную долю акку­мулирования до 4 вес.%. Эта теоретическая оценка была подтверждена экспе­риментальными данными Диллона и др. [57], а также последующими работами этой группы. Проблемы поглощения водорода и повышения коэффициента аккумулирования (отношение Н/С) обсуждались еще в работах [1,2] для мате­риалов с различным строением (наноцилиндры, фуллерены, углеродные волокна особой структуры). В одном из последних обзоров по этой теме [58] оцениваются перспективы использования углеродных нанотрубок для аккуму­лирования водорода и других газов при варьировании давления газов и диамет­ра трубок. В настоящее время продолжаются интенсивные поиски путей повы­шения водород-углеродного отношения при аккумулировании до практически приемлемого уровня, для применения, в частности, в топливных элементах для транспортных средств или изолированных источниках энергии небольшого и среднего размера.