Источник: Freepik

«Ученые Пермского политеха впервые в мире разработали новый композитный материал на основе модифицированного графита для хранения и перевозки водорода. Технология производства безопасна, управляема и основана на отечественных компонентах. Это открывает путь к созданию нового поколения легких, прочных и герметичных емкостей для российской водородной инфраструктуры», — рассказали в ПНИПУ.

По словам ученых, молекула водорода очень маленькая, под высоким давлением она проникает в структуру металла, что приводит к его «водородному охрупчиванию». Поэтому традиционные стальные емкости и трубопроводы не надежны и опасны. Хотя сам по себе этот газ не является парниковым, его выброс в атмосферу косвенно усиливает изменение климата. При его сгорании образуется только вода без вредных выбросов. Поэтому водород считается топливом будущего. Однако пока он значительно дороже традиционных видов топлива, таких как бензин или природный газ. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью его хранения и транспортировки — сейчас нет технологичных, безопасных и дешевых накопителей, способных эффективно хранить водород, не давая ему утекать или разрушать материал.

Исследователи Пермского политеха предложили использовать для этих целей терморасширенный графит — доступный, легкий и высокопористый углеродный материал. Его получают путем резкого нагрева химически обработанного графита, в результате чего он вспучивается, многократно увеличивается в объеме и образует внутри множество микропор. Такая структура обеспечивает ему выдающуюся впитывающую способность, что уже много лет используется в промышленности, например, для сбора нефтяных разливов. Для надежного же удержания водорода требуется очень чистый и предсказуемый по структуре терморасширенный графит.

Как получили новый материал

«Ключевая идея заключается в том, чтобы использовать развитую пористую структуру терморасширенного графита как “каркас” или носитель для специальных добавок, которые будут эффективно блокировать водород. Для создания такого материала с заданными свойствами мы разработали новую методику, позволяющую синтезировать и модифицировать его даже в полевых условиях с помощью специального пиротехнического состава», — рассказала заведующая кафедрой «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ, профессор, доктор технических наук Людмила Хименко.

Чтобы обеспечить безопасное срабатывание, долгий срок хранения и формирование идеальной пористой структуры, исследователи подобрали три компонента. По словам Хименко, первый компонент — гексацианоферрат калия — это добавка- «огнетушитель», которая подавляет излишнее пламя, делая реакцию спокойной и безопасной. Второй — карбоксиметилцеллюлоза, она предотвращает впитывание влаги, обеспечивает сохранность смеси при хранении. А третий — графеновый материал — помогает сформировать более совершенную структуру. «Также один из компонентов состава обрабатывали дополнительными окислителями, что позволило полностью исключить отказ срабатывания состава. Все эти вещества недорогие и производятся в России», — добавила профессор.

На втором этапе в поры полученного терморасширенного графита внедряются соединения-барьеры — оксиды алюминия или хрома. Затем этот модифицированный наполнитель вводится в полимерную матрицу вместе с алюминиевым порошком, что создает многоуровневую защиту. Такая структура позволяет значительно повысить устойчивость к действию водорода полимерных покрытий в резервуарах и трубопроводах.

Как отметили в ПНИПУ, на основе разработанного материала можно создавать прочные и легкие композитные емкости, способные надежно удерживать водород, что является важным шагом к практическому и экономичному повсеместному использованию водородного топлива в России. Исследование проводилось при финансовой поддержке Минобрнауки России.