Очистка водорода необходима перед его применением в
топливных элементах, но существующие методы не эффективны. Поэтому
процесс очистки становится серьезным препятствием в применении водорода
самого по себе как реального топлива.
Учёные Северо-западного университета (Northwestern University),
США – проф. Меркури Канатзидис (Mercouri G. Kanatzidis) и его докторант
Герасимос Арматас (Gerasimos S. Armatas) разработали класс новых
пористых материалов, по структуре напоминающих медовые соты, которые на
сегодня являются наиболее качественными фильтрами для очистки водорода
от смешанных газов. В частности, новый материал очень эффективно
отделяет водород от углекислого газа и метана. Этот новый тип
материалов относится к мезопористым материалам, к которым, как
известно, относятся пористые материалы, в которых поры имеют размеры от
2 до 50 нанометров.
Материалы, разработанные химиками из Чикаго, предлагают новый,
неизвестный ранее, способ разделения газов и используют новую группу
халькогенидов, насыщенных германием. Учёным удалось продемонстрировать
фильтрующие свойства мембран из таких материалов. Результаты
исследований опубликованы в журнале Nature Materials (Gerasimos S.
Armatas & Mercouri G. Kanatzidis. Mesoporous germanium-rich
chalcogenido frameworks with highly polarizable surfaces and relevance
to gas separation, – Nature Materials 8, 217 – 222 (2009) |
doi:10.1038/nmat2381).
В известных методах производства водорода сначала получают смеси
водорода с углекислым газом или с углекислым газом и метаном. Следующий
шаг существующей технологии заключается в очистке водорода от
сопутствующих газов, где производится разделение молекул газа по
размерам. Эта фаза процесса очень сложна и технологически трудно
выполнима.
Канатзитис и Арматас предлагают лучшее решение. Их новые
материалы для сепарации молекул не полагаются на размер, они основаны
на поляризации и взаимодействии молекул газа со стенками материала по
мере того, как эти молекулы движутся через мембрану.
Испытания одной из групп материалов, состоявшей из
тяжёлых элементов – германия, свинца и теллура, включенных в структуру
фильтра в форме мемраны – показали, что такая система почти в четыре
раза эффективнее в отделении водорода от углекислого газа, чем
традиционные методы, в которых применяются более лёгкие элементы, такие
как кремний, кислород и углерод. Учёные использовали свойства атомов,
которые формируют стенки изготовленной мембраны. Эти атомы, которые они
назвали «мягкими атомами», охотно взаимодействуют с другими мягкими
атомами и молекулами, проходящими мимо, замедляя их во время
прохождения через мембрану. Водород, самый маленький элемент, является,
по определению химиков, «твёрдой» молекулой. Он проскальзывает через
мембрану без задержки, в то время как мягкие молекулы углекислого газа
и метана проходят мембраны за гораздо большее время.
Канатзитис и Арматас тестировали свою мембрану на сложной
смеси из четырёх газов. Первым просачивался водород, затем по порядку
моноксид углерода, метан и диоксид углерода (углекислый газ). Водород,
как самая меньшая и твёрдая молекула, практически не взаимодействовал с
мембраной, а дольше всего взаимодействовала со стенками мембраны
молекула диоксида углерода, как самая мягкая из четырёх.
Водород (показан белым цветом), быстро проходит через поры нового
материала, а углекислый газ (красный и чёрный), взаимодействует со
стенками, которые замедляют его продвижение. (Фото:Northwestern
University)
Ещё одним, и очень важным, преимуществом процесса является по словам
проф. Канатзитиса «удобный диапазон температур» – между нулём градусов
Цельсия и комнатной температурой.
Диффузия молекул через пористый материал является, без
сомнения, очень интересным наноразмерным явлением, считают ученые. Все
поры в гексагональных сотах имеют строгий параллельный порядок и
распределение. При этом каждое отверстие имеет размер от 2 до 3 нм, а
молекулы газа – по крайней мере пол-нанометра в поперечнике.
Евгений Биргер |
