Новости химической науки > Гофрированный графен позволит хранить водород

Квантово-химические расчеты, проделанные итальянскими исследователями, позволяют утверждать, что гофрированный графен может применяться в качестве дешевого и эффективного метода хранения водорода.

Результаты компьютерных симуляций позволяют предположить, что определенные участки деформированного графена могут связывать водород, высвобождая его при возврата этих деформированных участков в нормальную форму.

Разработка методов хранения водорода в настоящее время является одним из наиболее актуальных направлений исследования, поскольку водород рассматривается как главный кандидат для обеспечения энергией топливных ячеек будущего. Хотя в качестве методов решения проблемы хранения водорода уже предложен ряд достаточно элегантных решения, зачастую ахиллесовой пятой систем хранения водорода являются условия, позволяющие высвободить водород из «аккумулятора» – обычно для десорбции H₂ необходимо создание разрежение или/и повышение температуры – и то и другое существенно понижает энергетическую эффективность топливных баков с водородом.

Простое механическое воздействие способно стимулировать десорбцию водорода, сорбированного на графене. (Рисунок из J. Phys. Chem. C, 2011, DOI: 10.1021/jp208262)

Валентина Тоццини (Valentina Tozzini) и Витторио Пелегрини (Vittorio Pellegrini) с помощью теории функционала плотности и молекулярной динамики продемонстрировали, что искаженные листочки графена могут оказаться более эффективной системой для хранения водорода.

Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что при латеральном сжатии графена, приводящем к образованию поперечных складок, термодинамически благоприятно химическое связывание водорода с верхушками таких складок. В плоских листах графена орбитали углерода находятся в состоянии sp² гибридизации, в то время как после деформации состояние орбиталей углерода, расположенных на вершинах подобных складок ближе к гибридизации sp³, что и обеспечивает возможность связывания водорода. По словам Тоццини, водород проявляет значительное сродство к атомам углерода, расположенных на деформированных поверхностях, с атомами углерода, находящимися на ровных листочках графена атом водорода также взаимодействует, но с гораздо меньшей эффективностью. Результаты расчетов позволяют говорить о том, что изменение характера кривизны графена (превращение складок в ровные поверхности и наоборот) позволит высвобождать сорбированный на атомах углерода водород.

Рифленые структуры окрашены в соответствии с искривлением листов графена – гребни листов обозначены красным, а впадины – синим. Результаты расчетов позволяют предположить, что водород связывается с гребнями предпочтительнее, чем со впадинами. (Рисунок из J. Phys. Chem. C, 2011, DOI: 10.1021/jp208262)

В настоящее время исследователи пытаются разработать лабораторные методы контролируемого создания рифленого рельефа из многослойных листов графена, а также определить, каким образом можно изменять этот рельеф. Тоццини считает, что одним из способов может быть использование расположенных по разные стороны от графенового листа механических устройств, которые бы сжимали лист графена подобно тому, как пара людей вытряхивают ковер, при этом на поверхности должны образовываться складки, которые будут адсорбировать и «вытряхать» из графена водород почти также, как вытряхивается пыль из ковра.

Источник: J. Phys. Chem. C, 2011, DOI: 10.1021/jp208262

метки статьи: #квантовая химия, #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #химия поверхности