Водородное топливо является одним из потенциальных решений в общенациональных усилиях по снижению зависимости от ископаемого топлива. По мнению Министерства энергетики, улучшение хранения водорода является ключом к развитию технологий водородных топливных элементов. В лаборатории Эймса ученые Лонг Ци и Вэнью Хуан исследуют извлечение водорода из класса материалов, называемых жидкими органическими носителями водорода, или LOHCs.

Один из способов хранения водорода - химический. Химическое хранилище основано на материалах, которые вступают в реакцию с молекулами водорода и сохраняют их в виде атомов водорода, например, в LOHC. Этот тип хранилища позволяет хранить большое количество водорода в небольших объемах при температуре окружающей среды. Однако для того, чтобы водород был полезен, необходимы катализаторы для активации LOHCs и высвобождения водорода. Этот процесс называется дегидрированием.

Ци объяснил, что в настоящее время существуют другие методы дегидрирования, но они вызывают некоторые проблемы. Некоторые методы основаны на катализаторах на основе металлов, которые включают критические металлы платиновой группы. Поставки этих металлов ограничены и дороги. Другие методы требуют добавок для высвобождения водорода. Добавки не подлежат повторному использованию и приводят к более высокой общей стоимости, поскольку их необходимо добавлять в каждом цикле.

Катализатор, разработанный Ци и Хуангом, не требует металлов или добавок. "Это довольно просто", - сказал Ци. "По сути, просто добавьте катализатор, не содержащий металлов, в LOHC, и тогда газообразный водород просто начнет выделяться, даже при комнатной температуре".

Катализатор состоит из азота и углерода. Ключом к его эффективности является структура азота. Каталитическая активность может проявляться при комнатной температуре благодаря уникальным близко расположенным графитовым азотам в виде азотной сборки, которые образовались в процессе карбонизации. Азотная сборка катализирует расщепление углерод-водородных (C-H) связей в LOHCs и облегчает десорбцию молекул водорода. Именно этот процесс делает катализатор более эффективным, чем другие используемые катализаторы.

Ци и Хуан объяснили, что, исходя из целей Министерства энергетики в области транспортных технологий, емкость хранилища водорода должна быть близка к 6,5% по весу. Они с оптимизмом смотрят в будущее своих исследований, чтобы достичь поставленной цели с помощью молекул, обладающих большей емкостью.

"Это исследование положительно повлияет на достижение цели сокращения выбросов углекислого газа, - сказал Хуан, - и нам нужно будет разработать более эффективные каталитические системы".

В 2019 году на транспортную отрасль приходилось 29% от общего объема выбросов углекислого газа в США Qi заявила, что простота и эффективность этого процесса могут принести пользу транспортной отрасли в будущем. Преимущества заключаются в сочетании использования LOHCs и катализатора, подобного этому. Эта комбинация позволяет извлекать пригодный для использования водород из хранилища с меньшими затратами и в более мягких условиях, чем при существующих технологиях. Большая плотность водорода может обеспечить больший заряд водородных топливных элементов, которые могли бы обеспечивать энергией транспортные средства на больших расстояниях.

И Ци, и Хуан подчеркнули, что это исследование является важным шагом в поддержку национальной миссии стать углеродно-нейтральным к 2050 году, предоставляя простой и эффективный способ дегидрирования LOHCs.