Нечаев Ю.С.

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»,

Институт металловедения и физики металлов им, Г.В. Курдюмова,

г. Москва, Россия, e-mail: yuri1939@inbox.ru

Доклад посвящен термодинамическому анализу и интерпретации большого массива экспериментальных и теоретических данных различных (в основном, зарубежных) исследователей, а также раскрытию физики самопроизвольной интеркаляции твердого молекулярного водорода высокой чистоты и плотности, отвечающей его мегабарному сжатию, в «надмегабарные» графановые наноструктуры (Рис. 1, Табл. 1).

Основное содержание доклада составили результаты автора [1-5], опубликованные в ряде статей 2010-2011 г.г. в высоко рейтинговых международных журналах и сборниках трудов специализированных международных и российских научных конференций.

Рассматривается [1-5] ряд дискуссионных фундаментальных и технологических (методических) аспектов проблемы «графен/графан/водород».

Показано [1-5] (Табл. 1): 1. Графан может иметь не только «алмазоподобную» структуру углеводорода CH (теория), но и «графитоподобную», значительно более прочную структуру гидрида графена CH или C₂H (графан*), близкую по прочности к графену (~10 Мбар). 2. Графановые* полислойные наноструктуры - «полиграфан*» (Рис. 1) могут образовываться при наводороживании графитовых нановолокон - «полиграфена». 3. В «полиграфан*» можно интеркалировать (за счет энергии ассоциации атомарного водорода) твердый молекулярный («обратимый») высокочистый водород (≥ 17 масс. % H₂) с высокими значениями плотности (~0.7 г(H₂)/см³(H₂), ~0.3 г(H₂)/см³(системы)), отвечающими мегабарному (~1 Мбар) сжатию при ~300 K. 4 (Рис. 1). Такой «мегабарный» водород в «полиграфане*» обладает аномально высокими значениями удельной энергоемкости (как в атомных реакторах) и может явиться экологически чистым, возобновляемым «топливом» обозримого будущего.

В свете результатов [1-5] рассматривается 3-х годичный научный проект (для Фонда Сколково): «РАЗРАБОТКА ПРОРЫВНОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И БЕЗОПАСНОГО ХРАНЕНИЯ ТВЕРДОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ И ЧИСТОТЫ, ИНТЕРКАЛИРОВАННОГО В ПОЛИСЛОЙНЫЕ ГРАФАНОВЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ, ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА».

Презентация проекта

Проект отвечает приоритетному научному направлению ЕЕ-Кластера в Фонде Сколково «Повышение эффективности и инновации в сфере возобновляемых источников энергии».

В проекте участвуют: проф. Ю.С. Нечаев, инженер-физик М.Ю. Нечаев, проф. Е.Ф. Шека (Российский Университет дружбы народов, г. Москва), аспирант Н.А. Попова (РУДН), аспирант В.А. Попова (РУДН), проф. С.А. Безносюк (Алтайский государственный университет, г. Барнаул), к.х.н. М.С. Жуковский (АГУ), к.ф.-м.н. С.В. Важенин (АГУ), к.ф.-м.н. О.А. Маслова (АГУ), prof. M.L. Terranova and prof. M. Rossi (Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Italy), prof. L. Palumbo (Sapienza Univ. Di Roma) и др.

Такая нанотехнология необходима для обеспечения водородом топливных элементов, используемых (как в настоящее время, так и особенно в обозримой перспективе) в экологически чистом автотранспорте, ракетах и других областях водородной энергетики. Характеристики данной нанотехнологии (≥17 wt%(H₂), ~0,3 г(H₂)/см³(системы«H-C»)) могут превышать или по меньшей мере соответствовать целевым требованиям Министерства энергетики США на 2015 год (www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells) в отношении гравиметрической емкости (9.0 wt%(H₂)), вольюметрической емкости (0,081 г(H₂))/см³(системы), «обратимости» и чистоты водорода, а также возможности многоразового использования и безопасности системы хранения водорода. Поэтому данная нанотехнология является «прорывной».

Список литературы

[1] Yu.S. Nechaev. “On the solid hydrogen intercalation in multilayer carbohydride-like graphane nanostructures, relevance to storage applications”. // Journal of Nano Research, Vol. 15, p.p. 75-94 (2011).

[2] Yu.S. Nechaev. “On the solid hydrogen carrier intercalation in graphane-like regions in carbon-based nanostructures”. // Intern. Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, p.p. 9023-9031 (2011).

[3] Yu.S. Nechaev. “The high-density hydrogen carrier intercalation in graphane-like nanostructures, relevance to its on-board storage in fuel-cell-powered vehicles”. // The Open Fuel Cells Journal, Vol. 4, p.p. 16-29 (2011).

[4] Yu.S. Nechaev. “Carbon nanomaterials, relevance to solving the hydrogen storage problem”. // Journal of Nano Research, Vol. 12, p.p. 1-44 (2010).

[5] Yu.S. Nechaev. “Graphene/graphane problem, relevance to the condensed hydrogen intercalation in multigraphane”. // Intern. Hydrogen Research Showcase 2011, Univ. Birmingham,UK http://www.uk-shec.org.uk/uk-shec/showcase/ShowcasePresentations.html, (2011).

 

Рис. 1. Микрофотографии графановых (карбогидридных) нановолокон; стрелками отмечены некоторые из щелевидных нанополостей, образовавшихся в нановолокнах после десорбции (ухода) из них интеркалированного твердого молекулярного водорода.

Table 1. Comparison [1-3] of thermodynamic and crystal-chemical characteristics of some carbon-based materials and nanomaterials

Carbon-based material	∆H0f 298 (eV/аtom)	∆HС-С (eV)	∆HС-H (eV)	lС-С (Å)	lС-H (Å)	d (Å)
Graphite	0.0	4.94 ± 0.03	2.5 ± 0.1	1.42		2.46
Graphene	≤ 0.1	4.94 ± 0.03	2.5 ± 0.2	1.42		á2.46ñ ± 0.02
Diamand	0.020 ± 0.001	3.69 ± 0.01		1.53
Graphane (diamond-like)	-0.15 ± 0.05	~4	2.5 ± 0.2	1.52	1.11	2.43
Graphane (experiment)	-0.15 ± 0.05		2.5 ± 0.2			á2.42ñ ± 0.09
Graphane* (graphite-like)	-0.15 ± 0.05	4.9 ± 0.1	2.5 ± 0.2
Multigraphane* (Fig. 1)	-0.20 ± 0.03	4.9 ± 0.1	2.5 ± 0.1

Приведенные в статье литературные материалы могут быть высланы автором по личному запросу заинтересованных лиц по электронной почте yuri1939@inbox.ru.

Рекомендательное письмо по поводу проекта в фонд «Сколково» от Московского семинара «Графен: молекула и кристалл».

Рекомендательное письмо по поводу проекта в фонд «Сколково» от Международной ассоциации водородной энергетики.