Графеновое оригами позволяет хранить водород с невиданной плотностью Печать
Новости науки
17.03.2014
Водород как топливо использовать очень непросто, и главная проблема в его низкой плотности. Даже если охладить водород до -252 °С (~20 К) и сделать жидким, то в одном литре вещества будет всего 71 г водорода. В литре бензина, где тот же водород входит в состав углеводородов, его уже 116 г. Итог предсказуем: энергетическая отдача литра бензина вчетверо выше, чем у литра водорода, и при этом его не надо охлаждать до безумных температур.

А ещё его можно сжимать, но даже при 700 атмосферах картина не лучше, чем с жидким хранением, тем более что баллонам требуется экстремальная прочность (метан, например, сжимают обычно до 200 атм), а отсюда и немалый вес установок. Наконец, на само сжатие уходит столько же энергии, сколько содержится в 2,1% сжимаемого газа... Как бы обойтись безо всех этих дорогостоящих охлаждений и сжатий?

Плотность хранения водорода в такой наноструктуре довольно высока безо всякого охлаждения или сжатия. (Здесь и ниже иллюстрации Teng Li,.Shuze Zhu.)


Инженеры Шуцзэ Чжу (Shuze Zhu) и Тэн Ли (Teng Li) из Мэрилендского университета (США) попробовали использовать для хранения водорода... оригами. Они взяли крохотные квадратики графена и сложили из них оригами-коробочку, которая способна открываться и закрываться сама по себе просто в ответ на изменения электрического поля, оказывающего воздействие на края графеновых листов:



Для справки: цель американского Минэнерго — достижение такого уровня хранения водорода, при котором лишь 5,5% веса запасающей его системы будет приходиться на этот газ (к 2020 году — до 7,5%). Так вот, оригами-клетке для водорода уже сейчас удалось довести этот показатель до 9,5%. Это рекорд, почти вдвое превышающий результаты ближайших конкурентов.

Итак, когда нужно, накапливающее оригами сохраняет водород, а по слабому электрическому сигналу, напротив, высвобождает его, позволяя получать газ для его использования в топливных элементах или обыкновенных ДВС. При всей кажущейся простоте концепции, она даёт возможность без громоздких и тяжёлых баллонов с теплоизоляцией криогенного оборудования хранить водород с недостижимой ранее плотностью «упаковки».

Добиться этого удалось за счёт экстремальной однородности поверхности графеновых пластинок, протечь сквозь которые водород не может, даже несмотря на одноатомную толщину каждой пластинки и соответствующий низкий вес. Более того, разработчики считают, что их система может достичь более высокой эффективности, что они и намерены продемонстрировать уже в ближайшее время.

На краях графеновых листов при приложении электрического поля близкие атомы углерода и водорода из-за разных зарядов начинают отталкиваться или притягиваться друг к другу, что открывает или закрывает оригами-клетку.


«Как и бумажное оригами, позволяющее производить сложные трёхмерные структуры из изначально двумерной бумаги, графеновое оригами стало основой для проектирования и создания таких углеродных наноструктур, которых в природе просто нет, — говорит Тэн Ли. — Зато они обладают нужными нам качествами. Мы уже создали наноклетки и нанокорзины для хранения не только водорода, но и других грузов молекулярных размеров».

Разумеется, для массового внедрения технологии её нужно тщательно отработать. К счастью, недавние подвижки в производстве крупных пластин графена при разумных затратах дают основания надеяться, что и графеновое оригами вскоре станет весьма практичным.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале ACS Nano.

Подготовлено по материалам Мэрилендского университета.

Материал подготовлен при поддержке проекта

Источник - http://compulenta.computerra.ru/tehnika/devices/10011996/