CC BY
6Хранение водорода
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ НАНОУГЛЕРОДНЫХ «СУПЕР»-АДСОРБЕНТОВ ДЛЯ АККУМУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДА НА БОРТУ АВТОМОБИЛЯ
Ю. С. Нечаев, О. К. Алексеева1, А. Л. Гусев2, Т.Н. Везироглу3
Институт металловедения и физики металлов им. Г. В. Курдюмова, ФГУП «ЦНИИчермет» им. И. П. Бардина ул. 2-ая Бауманская 9/23, Москва, 105005, Россия
1 РНЦ "Курчатовский институт", Институт водородной энергетики и плазменных технологий
пл. Курчатова 1, Москва 123182, Россия
2 Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики
пр. Мира 37, Саров, Нижегородская обл., 607183, Россия 3 Исследовательский институт (экологически) чистой энергетики, Университет Майями
Корал Гэблес, Флорида, 33124, США
Представлены результаты анализа и переработки [1, 2] наиболее значимых экспериментальных данных (включая данные [3-5]) по сорбции водорода графитом и новыми углеродными нано-материалами (одностенными и многостенными на-нотрубками (ОУНТ, МУНТ), графитовыми нано-волокнами (ГНВ) и наноструктурированным графитом) при технологичных температурах и давлениях. Определены фундаментальные термодинамические, кинетические и диффузионные характеристики сорбционных процессов, проведено сопоставление с теоретическими характеристиками и моделями, достигнуто более глубокое проникновение в механизмы взаимодействия водорода с углеродными материалами и оптимизации технологических процессов.
Особое внимание обращено на серию уникальных результатов [3] (Родригуез, Бекер и др.) для ГНВ образцов, для которых была получена «супер» высокая сорбционная емкость (Н/С ~ ~ 4-6). Как показывает анализ [1,2], данные [3] по термодесорбции (при повышенных температурах) ~30 % адсорбата, т. е. его «необратимой» части, удовлетворительно согласуются с соответствующими данными других исследователей, в частности, с данными [4] по термодесорбции водорода из наноструктурированного (механосинте-зом, при давлении 1 МПа) графита, а также с данными [5] для ГНВ образцов и пучков ОУНТ, наводороженных при 9 ГПа. Показано [1, 2], что «объемная» и «поверхностная» концентрации «необратимого» водорода в ГНВ образцах [3] (после быстрого удаления их них при комнатной температуре ~70 % адсорбата, т. е. «обратимого» водорода) отвечают «карбогидридным» значениям (Н/ С ~ 0.5-1). Аномальное, или «супер» высокое значение «обратимой» сорбционной емкости (~70 % от общего количества адсорбата (Н/С ~ 4-6)) ГНВ образцов [3] может быть связано с полислойной физической адсорбцией водорода типа конденсации и/или интеркаляции [2]. Это согласуется с электронно-микроскопическими данными [6] по «нано-расслаиванию» ГНВ образцов (наводороженных при 8 МПа), с данными [7] по «рассыпанию» или «распуханию» пучков ОУНТ (при наводоро-
живании при 4-12 МПа), а также с теоретическими данными [8] по «регулируемым» графитным нано-структурам, которые в определенной мере отвечают известной концепции Дубинина [9].
На основе результатов анализа [1, 2, 10, 11] соответствующих данных рассматриваются энергетические характеристики как химического, так и физического взаимодействия водорода с углеродными наноструктурами. Рассматриваются также экспериментальные и теоретические предпосылки (фундаментальные аспекты), указывающие на возможность разработки наноуглеродных «супер» адсорбентов водорода для электромобилей с топливными элементами.
Авторы выражают благодарность Е. Н. Блиновой и С. Е. Манаенкову за помощь в проведении соответствующих оценок.
Работа выполнена благодаря финансовой поддержке РФФИ (грант 05-08-50222-а).
Список литературы
1. Ю. С. Нечаев, O.K. Алексеева. Успехи химии 73, 1308 (2004).
2. Ю. С. Нечаев. УФН 176, № 6, 581 (2006).
3. C. Park, P. E. Anderson, A. Chambers, C. D. Tan, et al. J. Phys. Chem. B 103, 10572 (1999).
4. S. Orimo, A. Züttel, L. Schlapbach, G. Majer, et al., J. Alloys Compounds 356, 716 (2003).
5. И. O. Башкин, В. Е. Антонов, А. В. Баженов, И. K. Бдикин и др. Письма в ЖЭТФ 79, 280 (2004).
6. B.K.Gupta, R. S. Tiwari, O. N. Srivastava. J. Alloys Compounds 381, 301 (2004).
7. Y. Ye, C. C. Ahn, C. Witham, B. Fultz, et al. Appl. Phys. Lett. 74, 2307 (1999).
8. S. Patchkovskii, J. S. Tse, S. N. Yurchenko, L. Zhechkov, et al. PNAS 102, 10439 (2005).
9. А. А. Фомкин, В. А. Синицын, В. В. Гурьянов, O. Л. Амосова. Труды Международного симпозиума по водородной энергетике, Москва, Издательство МЭИ (2005), C. 179.
10. Yu. S. Nechaev, O. K. Alexeeva, M. Danie-lewski, T. N. Veziroglu, Defect and Diffusion Forum 237-240, 1055 (2005).
11. Yu. S. Nechaev, O. K. Alexeeva, G. A. Filip-pov, A. L. Gusev, ISJAEE #10, 62 (2005).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №7(39) (2006) 27
Водородная энергетика и транспорт
FUNDAMENTALS AND PROSPECTS OF DEVELOPING OF CARBONACEOUS SUPER-ADSORBENTS FOR THE HYDROGEN ON-BOARD STORAGE IN FUEL-CELL-POWERED VEHICLES
Yu. S. Nechaev, O. K. Alexeeva1, A. L. Gusev2, T. N. Veziroglu3
Kurdujmov Institute of Metal Physics, Bardin Institute for Ferrous Metallurgy, Vtoraya Baumanskaya st. 9/23, Moscow, 105005, Russia E-mail: netchaev@online.ru 1 Institute of Hydrogen Energetics and Plasma Technologies, RRC "Kurchatov Institute", pl. Kurchatova 1, Moscow, 123182, Russia E-mail: alex@hepti.kiae.ru 2 Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Research Institute of Experimental Physics, Mira pr. 37, Sarov, Nizhniy Novgorod Region, 607183, Russia E-mail: gusev@hydrogen.ru 3 Clean Energy Research Institute, University of Miami Coral Gables, Florida, 33124, USA E-mail: veziroglu@unido-ichet.org
The analysis and re-treatment [1, 2] is performed of the most significant experimental data (including data [3-5]) on the hydrogen sorption by graphites and novel carbon-based nanomateri-als (single-walled and multi-walled nanotubes (SWNT, MWNT), graphite nanofibers (GNF), na-nostructured graphites) at technological temperatures and pressures. Thermodynamic, kinetic and diffusion fundamental characteristics of sorption processes are refined and compared with the theoretical quantities and models, for better understanding and technological optimizing the interaction between hydrogen and carbon materials.
The attention is concentrated on the Rodriguez-Baker series of unique studies [3] of GNFs, where a "super" hydrogen adsorption capacity (H/C ~ 4-6) has been declared. As analysis [1,2] has shown, a considerable part of data [3] on thermo-desorp-tion characteristics of ~30 % of adsorbed hydrogen is in a satisfactory accordance with other known related data, particularly with data [4] on mechanical synthesis of hydrogen with graphite (at 1 MPa) and data [5] on GNFs and SWNT bundles (charging at 9 GPa). As is also shown [1, 2], the hydrogen "bulk" and "surface" concentrations in GNFs [3] (after a fast release from them of ~70 % of adsorbed hydrogen) are of "carbohydride-like" values (H/C ~ 0.5-1). The anomalous amount of adsorbed hydrogen (~70 % of the total capacity) in GNFs [3] might be related with an poly-layer physical adsorption (as condensation and/or intercalation) [2]. It is consistent with data [6] on dehydrogenation behaviour (microstructure nanof-ragmentation) of GNFs, with data [7] on a separation of the individual SWNTs under the hydrogenation, and theoretical data [8] on developing "tuneable" graphite nanostructures, which are (in a definite degree) some developments of the known Dubinin concept [9]. The energy characteristics of both the chemical and physical interaction of hydrogen with carbon nanostructures are considered
on the basis of the analysis [1,2,10,11] of the related data. Finally, a real possibility (the experimental and theoretical fundamental basis) is shown [2,10,11] of developing carbonaceous "super" adsorbents of hydrogen for the on-board storage in fuel-cell-powered vehicles.
Acknowledgements
The authors would like to thank Dr. E.N. Blinova and Ph. D. student S. E. Manaenkov for help during the various stages of the research.
Financial support of The Russian Fund for Basic Research (grant number 05-08-50222-a) is also gratefully acknowledged.
References
1. Yu. S. Nechaev, O.K. Alexeeva. Russian Chem. Rev. 73, 211 (2004).
2. Yu .S. Nechaev. Physics-Uspekhi 249, #6 (2006).
3. C. Park, P. E. Anderson, A. Chambers, C. D. Tan, et al. J. Phys. Chem. B 103, 10572 (1999).
4. S. Orimo, A. Zuttel, L. Schlapbach, G. Majer, et al. J. Alloys Compounds 356, 716 (2003).
5. I. O. Bashkin, V. E. Antonov, A. V. Bazhenov, I. K. Bdikin, et al. Lett. J. Experim. & Theor. Phys. 79, 280 (2004).
6. B. K. Gupta, R. S. Tiwari, O. N. Srivastava. J. Alloys Compounds 381, 301 (2004).
7. Y. Ye, C. C. Ahn, C. Witham, B. Fultz, et al. Appl. Phys. Lett. 74, 2307 (1999).
8. S. Patchkovskii, J. S. Tse, S. N. Yurchenko, L. Zhechkov, et al. PNAS 102, 10439 (2005).
9. A. A. Fomkin, V. A. Sinitsin, V. V. Gurjanov, O. L. Amosova. In: Trans. Int. Symp. "Hydrogen Energetic", MEI, Moscow (2005) P. 179.
10. Yu. S. Nechaev, O. K. Alexeeva, M. Danielew-ski, T. N. Veziroglu. Defect and Diffusion Forum 237-240, 1055 (2005).
11. Yu. S. Nechaev, O. K. Alexeeva, G. A. Filippov, A. L. Gusev. ISJAEE #10, 62 (2005).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №7(39) (2006)
