Коллектив учёных, в составе которого работают исследователи из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка), провели работу, продемонстрировавшую большой потенциал металлоорганических каркасных соединений и их производных в качестве катализаторов гидрирования магния для систем хранения водорода. Исследование опубликовано в Journal of Physics: Energy.

Хранение водорода — одна из ключевых задач на пути к «зелёной» энергетике. Одним из перспективных материалов для компактного и безопасного аккумулирования водорода является магний, способный связывать до 7,6 % водорода по массе. Однако у этого материала есть существенный недостаток: он слишком медленно поглощает и выделяет водород, особенно при умеренных температурах. Для решения этой проблемы учёные активно исследуют различные катализаторы, которые могут ускорить эти процессы.

Коллектив исследователей предложил использовать в качестве катализаторов необычные материалы — производные металлоорганических каркасных соединений (MOF), синтезированных на основе итаконовой кислоты (IA) и солей никеля или кобальта (Ni-IA и Co-IA).

Суть исследования заключалась в термической обработке приготовленных MOF. В результате образовывались наночастицы сплава кобальта и никеля (CoNi), окружённые пористой углеродной оболочкой — так называемые структуры типа «ядро-оболочка» (CoNi@C; см. рис).

Полученные таким образом продукты термического разложения и исходные MOF были использованы в качестве катализаторов синтеза гидрида магния методом высокоэнергетического реакционного помола смеси порошка магния с катализатором (10 % по массе) в водороде под давлением 25 бар. Кинетику поглощения водорода определяли по снижению давления в реакторе.

В результате как исходные MOF, так и их термически обработанные производные (CoNi@C) значительно ускорили гидрирование магния — в девять раз по сравнению с магнием без катализатора. Этот эффект оказался даже сильнее, чем у других известных катализаторов, таких как наночастицы Pd на MOF UiO-66 или Ni на графеноподобном материале.

Было замечено одно неожиданное явление. При использовании термически необработанных MOF (Co-IA + Ni-IA) во время пауз между этапами помола, когда реактор охлаждался до комнатной температуры, поглощение водорода продолжалось ещё несколько часов. Это указывает на то, что промежуточные продукты разложения MOF, образующиеся в процессе помола под действием механических ударов и локального нагрева, являются ещё более эффективными катализаторами, чем конечный продукт — CoNi@C. Возможно, именно эти промежуточные формы создают активные центры для диссоциации водорода в виде зародышей каталитических наночастиц CoNi, внедряющихся в частицы магния.

Таким образом, работа демонстрирует большой потенциал MOF и их производных в качестве катализаторов гидрирования магния для систем хранения водорода. Они не только эффективны, но и относительно недороги, поскольку основаны на никеле и кобальте, а не на благородных металлах.

Возможно, самым эффективным катализатором является не конечный продукт термического разложения MOF, а промежуточные соединения, образующиеся в ходе самого процесса гидрирования. Это открывает новые направления для дальнейших исследований в области создания высокоэффективных и экономичных материалов для хранения водорода.

Над проектом, выполняемым в рамках Программы ФЦП по научному сотрудничеству между Российской федерацией и странами Африки (соглашение 075-15-2024-654), работали сотрудники ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (Черноголовка) и Университета Западной Капской провинции (ЮАР).

Источник: ФИЦ ПХФ и МХ РАН.