Водород все чаще представляется как устойчивое решение для энергетического перехода. Однако сегодня 95% водорода производится из углеводородов (нефти, природного газа и угля), что является самым дешевым, но самым энергоемким решением. Более того, поиск материала, способного хранить огромное количество газа, для практического применения остается серьезной проблемой. Недавно австралийские исследователи обнаружили новый способ безопасного разделения, хранения и транспортировки больших количеств газа в виде порошка без отходов, что позволяет обеспечить возможное широкое распространение водородной энергетики. Кроме того, традиционные методы переработки нефти используют высокоэнергетический процесс «криогенной дистилляции» для разделения сырой нефти на различные газы, включая водород. На этот процесс приходится 15% мирового потребления энергии, в то время как мировое потребление водорода составляет менее 2%. В частности, благодаря появлению водородных топливных элементов, водород становится энергоносителем, который может помочь в декарбонизации некоторых промышленных секторов, обеспечить хранение энергии и снабжать электроэнергией здания и транспортный сектор. Однако внедрение водородных технологий все еще ожидает преодоления ряда препятствий, в основном касающихся безопасного и эффективного хранения и транспортировки достаточно больших объемов газа. Этот газ очень легкий, легковоспламеняющийся, без запаха и цвета. Он хорошо смешивается с воздухом, поэтому легко образуются взрывоопасные смеси. Нагрев также может вызвать возгорание или сильный взрыв. Недавно исследователи нанотехнологий из Института пограничных материалов (IFM) при Университете Дикина (Австралия) утверждают, что совершили большой прорыв в области разделения и хранения газа. Их открытие может радикально снизить потребление энергии в нефтехимической промышленности, а также сделать хранение и транспортировку водорода в порошкообразном виде намного проще и безопаснее. Их результаты представлены в журнале «Материалы сегодня», а их метод находится на стадии патентования.

Профессор Чен, заведующий кафедрой нанотехнологий IFM, так излагает историю исследования: «В настоящее время Австралия переживает беспрецедентный газовый кризис и нуждается в срочном решении. Более эффективное использование более чистого газообразного топлива, такого как водород, является альтернативным подходом к сокращению выбросов углерода и замедлению глобального потепления». В настоящее время водород и другие газы производятся в основном методом криогенной дистилляции. Этот метод выполняется на сжиженном газе путем его быстрого сжатия и декомпрессии, что приводит к его охлаждению и сжижению. Постепенно нагревая газ, который стал жидким, и изменяя температуры кипения, можно разделить различные компоненты. Однако этот метод является чрезвычайно энергоемким. В данном исследовании ученые разработали энергоэффективный процесс механохимического разделения, который не создает никаких отходов. Механохимия — это отрасль химии, изучающая химическое поведение материалов под действием механического воздействия, в отличии, например, от тепла или света. Особым компонентом процесса, как называют его авторы, является порошок нитрида бора, который идеально подходит для поглощения веществ. Кроме того, нитрид бора классифицируется как химическое вещество уровня 0, что означает его полную безопасность. В частности, в этом процессе порошок нитрида бора помещается в мельницу — цилиндр — с шарами из нержавеющей стали и газами, которые необходимо разделить. Когда цилиндр вращается со все более высокой скоростью, столкновение шариков с порошком и стенками этой камеры вызывает особую механохимическую реакцию, в результате которой происходит поглощение газов в порошке. Доктор Матети, второй автор, объясняет: «Порошок нитрида бора можно использовать несколько раз, чтобы снова и снова выполнять один и тот же процесс разделения и хранения газа». Таким образом, этот процесс может быть повторен для разделения газов по одному, поскольку каждый газ поглощается при различной интенсивности измельчения, давлении газа и времени. В ходе последовательных экспериментов авторы смогли выделить комбинацию алкинов, олефинов и парафинов.

В результате этого вмешательства образуется промежуточная молекула, содержащая дирадикал — центральное кольцо из 10 атомов углерода, шесть из которых имеют неспаренный электрон (и поэтому способны образовывать новые связи). Применив относительно высокое напряжение, они заставили образоваться новую связь С-С, что привело к образованию нового кольца, известного как изогнутый алкин; исходная молекула затем превратилась в новую молекулу, состоящую из четырех колец. Обратите внимание, что система устроена так, что оставшиеся неспаренные электроны не могут соединиться для создания другой связи C-C, как это обычно происходит. С другой стороны, применение более низкого напряжения к промежуточной молекуле привело к образованию внутри нее нового четырехуглеродного кольца, названного циклобутадиеном. Получение этих различных углеродных сетей было бы невозможно с помощью традиционной химии. Таким образом, команда превратила исходную молекулу в три различных продукта. «Возможность взаимодействия с различным набором партнеров делает эту полиморфную молекулярную систему швейцарским армейским ножом с тремя различными и полезными химическими инструментами», — пишут Игорь Алабугин и Чаовэй Ху в сопроводительной статье. Каждый из образующихся продуктов способен выполнять различные химические функции, например, служить местом связывания для переходных металлов или участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Все три вида могут даже использоваться в качестве логических ворот в молекулярной электронике.

Основным преимуществом метода является то, что эти реакции могут быть обратимы с помощью импульсов противоположной полярности, поскольку каждый продукт может быть возвращен в исходное состояние с помощью нового электронного импульса. Заставляя одну молекулу принимать различные формы (или изомеры) путем применения точных напряжений и токов, исследователи могут непосредственно наблюдать за поведением электронов и определять оптимальные конфигурации органических соединений в соответствии с желаемым результатом. Следует отметить, что этот эксперимент проводился в криогенных условиях (при температуре -268 °C), температуре, при которой атомы и молекулы практически неподвижны. Воспроизведение метода при температуре, близкой к комнатной, может оказаться более сложным. Кроме того, некоторые атомные связи гораздо труднее разорвать. Однако эта работа открывает путь к более точному контролю химических реакций — по крайней мере, в некоторых случаях — и проливает свет на механизмы, лежащие в основе окислительно-восстановительных реакций. Это может, например, привести к разработке катализаторов, способных направлять реакцию в определенном направлении. «Индуцированные наконечником селективные реакции с участием одной молекулы улучшают наше понимание окислительно-восстановительной химии и могут привести к созданию новых молекулярных машин», — заключают исследователи. Facebook Twitter VKontakte