Из выхлопных труб автомобилей, работающих на водородном топливе, выбрасывается только водяной пар, и это является экологически чистой альтернативой транспорту, работающему на ископаемом топливе. Однако для того, чтобы водородные автомобили получили широкое распространение, учёным следует разработать более эффективные системы хранения водорода. В наши дни, как сообщает ACS’ Chemistry of Materials, исследователи разрабатывают металлоорганические структуры (МОС) для создания более вместительных водородных баков, предназначенных для нормальных условий эксплуатации.
По данным Министерства энергетики США, на 2017 год в Соединённых Штатах было 34 общедоступных водородных заправочных станции, причем 31 из них находились в Калифорнии. Помимо развитой топливозаправочной инфраструктуры для широкого распространения водородных автомобилей требуется ряд технологических решений. В частности, усовершенствованные системы хранения водорода позволят увеличить запас хода автомобилей, при этом снижая стоимость километра пройденного пути.
В ныне существующих автомобилях, работающих на водородном топливе, применяются дорогие и громоздкие охлаждающие или компрессионные установки, необходимые для перевозки на борту объёмов топлива, достаточных для более-менее приемлемой дальности езды.
Джеффри Лонг и его коллеги задались вопросом, а не удастся ли им применить металлоорганические структуры для создания водородного бака, позволяющего хранить большее количество топлива при нормальных условиях эксплуатации. МОС — это композитные материалы, содержащие ионы металлов, связанных с органическими лигандами. В молекулярных решётках некоторых МОС образуются поры, которые сильно адсорбируют молекулы водорода, заставляя их притягивать другие молекулы, что может приводить к конденсации газа в условиях, близких к условиям окружающей среды.
Для выявления наилучшей МОС, наиболее подходящей для хранения водородного топлива, исследователи протестировали четыре различных композита – два, содержащих никель, и два, содержащих кобальт в качестве связывающих металлов. МОС, названная Ni2 (m-dobdc), показала наивысшую способность удержания водорода в широких диапазонах давления и температуры. При температуре, равной температуре окружающей среды, и при давлении гораздо меньшем, нежели применяется в баках современных водородных транспортных средств, данная МОС установила новый рекорд хранения водородного топлива в количестве 11,9 грамм на один литр объёма бака, выполненного из этого материала.
Металлоорганическая структура даёт возможность хранения значительно большего объёма водородного топлива в сравнении со сжатым газообразным водородом в аналогичных условиях.
Проведя исследование данной МОС методом нейтронной дифракции, разработчики обнаружили, что одна пора имеет семь специфических связующих площадок для молекул водорода, что обеспечивает плотную «упаковку» топлива.