Renseljė politechnikos instituto (JAV) mokslininkai bando vandenilio kaupimui pritaikyti naują perspektyvią nanomedžiagą, savo forma primenančią nanomenteles.
Nagrinėdami naująją medžiagą, tyrėjai aptiko, jog ji gali itin sparčiai sugerti ir išskirti vandenilį esant ganėtinai žemoms temperatūroms. Kitas ne ką mažiau svarbus aspektas yra tai, kad tokį vandenilio kaupimo ir išskyrimo procesą galima kartoti ne vieną kartą. Visos šios savybės leidžia tikėtis, kad naujoji nanomedžiaga bus panaudota konstruojant ateities automobilius, kuriems energiją tieks vandenilis arba kuro elementai.
Gauti rezultatai publikuoti rugsėjo mėnesio žurnalo „The International Journal of Hydrogen Energy“ numeryje. Tyrimus finansavo Nacionalinis mokslo fondas.
Mokslininkai magnio pagrindo nanomenteles pirmąkart sukūrė dar 2007 metais. Kitaip nei trimatės nanospyruoklės ar nanolazdelės, nanomentelės yra asimetrinės. Jos yra neįtikėtinai ploni, tačiau platūs dariniai – taip susidaro didelis paviršiaus plotas. Atstumai tarp kaimyninių nanomentelių gali siekti netgi vieną mikroną.
Tam, kad būtų galima kaupti vandenilį, reikalingas didelis paviršiaus plotas ir pakankamas atstumas tarp gretimų nanostruktūrų – kitaip vis daugiau sugeriant vandenilio šiam paprasčiausiai ims trūkti vietos. Didžiulis paviršiaus plotas ir plonytė nanomentelių, kurias skiria ganėtinai nemažas atstumas, struktūra yra tiesiog pritaikyta vandenilio kaupimui. Bent jau taip teigia Renseljė politechnikos instituto fizikos, taikomosios fizikos ir astronomijos profesorius Gvo Čing Vangas (Gwo-Ching Wang).
Tam, kad sukurtų nanomenteles, tyrėjai panaudojo kampinio garinio nusodinimo metodą. Taikant šią gamybos technologiją, nanostruktūros yra sudaromos garinant medžiagą (šiuo atveju magnį) ir leidžiant išgarintiems atomams nusėsti ant paviršiaus tam tikrais kampais. Tuomet gautoji medžiaga praturtinama metališkuoju katalizatoriumi, kad galėtų sugerti ir kaupti vandenilį. Šiame tyrime nanomentelės buvo padengtos paladžiu.
Savo naujausiame darbe tyrėjai aprašo nanomentelių našumo bandymus. Kaip pasakoja podoktorantūros stažuotojas ir pirmasis straipsnio bendraautoris Ju Liu (Yu Liu), norint patobulinti medžiagas, kad šios būtų tinkamos ateities vandeniliu varomiems automobiliams, labai svarbu suprasti, kaip šios laikui bėgant reaguoja į vandenilio draugiją.
„Energijos departamento nustatyti reikalavimai yra sunkiai suderinami su dabartinėmis vandenilio kaupimo technologijomis, ypač kuomet kalba pasisuka apie naujas energijos kaupimo medžiagas, – teigia J. Liu. – Visos naujosios medžiagos privalo funkcionuoti esant žemoms temperatūroms, sparčiai išskirti vandenilį, būti ganėtinai pigios ir pakartotinai panaudojamos“.
Kaip mano abu minėtieji tyrėjai, jų darbas su nanomentelėmis teikia nemažai vilties įgyvendinti visus šiuos griežtus reikalavimus.
Mokslininkai išsiaiškino, jog nanomentelės pradėjo išskirti vandenilį esant apie 67 C temperatūrai. Kuomet temperatūra buvo pakelta iki 100 C, nanomentelių sukauptas vandenilis buvo surinktas per 20 minučių. Daugybei kitų medžiagų reikalingas dvigubai didesnė temperatūra, kad būtų pasiekta panaši sparta.
Tyrėjai taip pat aptiko, jog nanomenteles galima panaudoti pakartotinai. Tai reiškia, jog išsiurbus iš jų visą vandenilį, jos vėl gali sugerti naują vandenilio porciją. Tokia savybė ypač svarbi galvojant apie praktinį šių darinių taikymą.
Taikydami plačiai naudojamus eksperimentinius metodus, mokslininkai išsiaiškino, jog sukurtosios nanomentelės gali atlaikyti daugiau nei 10 vandenilio sugėrimo ir išskyrimo ciklų.
Didelės energijos elektronų difrakcijos metodas šiek tiek skiriasi nuo, pavyzdžiui, rentgeno spindulių difrakcijos, nes įgalina pažvelgti į artimąją paviršiaus sandarą, išskirti kintančią medžiagos fazę bei grūdelių dydį. Sekdami paviršiaus pokyčius, tyrėjai gali nustatyti, kaip medžiagos struktūra evoliucionuos bėgant laikui.
Mokslininkai, taikydami didelės energijos elektronų difrakcijos metodą, atkreipė dėmesį, jog ilgainiui katalizatorius užsiteršia ir magnis reaguoja su deguonimi. Tai sukelia oksidaciją, kuri galiausiai pakoreguoja medžiagos savybes, nes ši patiria morfologinius ir cheminius pokyčius.
Dabar tyrėjai bando optimizuoti medžiagą, tam naudodami skirtingus katalizatorius ir apsaugines polimerų dangas. Jie siekia pagerinti našumą ir padidinti vandenilio saugojimo ir išskyrimo ciklų skaičių.
„Dabar siekiame padidinti pakartotinio panaudojimo rodiklį, – mintimis dalinasi profesorius. – Mes išsiaiškinome, kas sukelia medžiagos savybių suprastėjimą, tad galime imtis darinio tobulinimo darbų“.
