Ученые удвоили емкость хранения водорода в перовскитных кристаллах с помощью механохимии

Оксигидрид титаната бария был получен из титаната бария с помощью стандартных топохимических реакций (с использованием тепла) и новых механохимических реакций (путем измельчения). Механохимическая реакция удвоила количество водорода, которое можно хранить в перовските, с 17% до 34%. Автор: RIKEN

Исследователи под руководством Гэнки Кобаяси из Института перспективных исследований RIKEN (PRI) в Японии обнаружили способ максимально увеличить количество водорода, которое можно хранить в перовскитном кристаллическом порошке. Секрет заключается во внедрении водорода в кристаллическую решетку перовскита с использованием механохимии — химических реакций, которые происходят при физическом измельчении и смешивании соединений.

Этот процесс также влияет на кристаллическую структуру порошка, делая его еще лучшим катализатором для производства аммиака. Поскольку этот процесс требует меньше энергии, чем традиционные немеханические методы, открытие является экологически чистым и полезным для будущей устойчивости. Результаты были опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

В настоящее время ученые стремятся более эффективно хранить водород по разным причинам, и одним из лучших носителей является тип кристалла под названием перовскит.

Химические реакции можно использовать для замены ионов кислорода в кристаллическом порошке на гидрид (H^-), превращая его в перовскитный оксигидрид. После того как водород хранится таким образом, его легко транспортировать, и он может использоваться в качестве катализатора для создания аммиака.

Поскольку аммиак является основным ингредиентом большинства удобрений, необходим для многих пластиков и сам по себе является видом водородного топлива, перовскитный оксигидридный порошок имеет многочисленные потенциальные преимущества. Однако независимо от того, используют ли они высокую температуру или высокое давление, известные в настоящее время химические реакции заменяют только около 17% кислорода на гидрид, что означает, что порошок потенциально может хранить гораздо больше водорода, чем это возможно сейчас.

Команда под руководством главного ученого Кобаяси исследует способы увеличения предела насыщения водородом с 17% и получения большего количества водорода в перовскитном порошке.

Вместо использования методов высоких температур или высокого давления они экспериментировали с физическими механохимическими реакциями, которые хорошо работают при комнатной температуре и делают их более привлекательным вариантом для сохранения окружающей среды.

Теперь они нашли способ значительно увеличить насыщение водородом, при котором в два раза больше ионов кислорода в кристаллической структуре заменяется гидридами. Это означает, что новый метод практически удваивает емкость хранения водорода в перовскитном порошке.

В экспериментах исследователи производили оксигидрид титаната бария двумя способами: механохимически и топохимически. Они обнаружили, что механохимический способ — физическое измельчение и смешивание ингредиентов — имеет два преимущества перед стандартным методом высоких температур.

Во-первых, кристаллическая решетка порошка содержала больше гидрида. Во-вторых, даже при взятии образцов с одинаковым количеством гидридов версия, полученная механохимическим путем, была лучшим катализатором; производилось больше аммиака. Анализ показал, что это связано с тем, что процесс измельчения вызывал полезные деформации в решетке, которые не могла вызвать высокая температура.

«Это достижение — хорошая новость для экологической устойчивости и в конечном итоге поможет нам достичь реальной водородной экономики», — говорит Кобаяси.

В краткосрочной перспективе, по его словам, их новые результаты предоставляют ценные руководящие принципы проектирования материалов, которые будут полезны при разработке новых функциональных материалов, содержащих ионы гидрида.

Новый предел насыщения водородом в 34%, вероятно, является максимальным, которого можно достичь с использованием титаната бария, но еще лучшие результаты могут быть возможны при использовании другого перовскита.

«В долгосрочной перспективе, — говорит Кобаяси, — ожидается, что наш механохимический подход позволит получить еще лучшие катализаторы для синтеза аммиака, а также материалы для электрохимических устройств, таких как топливные элементы, — область, в которой специализируется лаборатория Кобаяси».

Больше информации: Fumitaka Takeiri et al, Mechanochemical Synthesis of H– Materials: Hydrogen-Rich Perovskite Oxyhydrides with Lattice Strain as an Ammonia Synthesis Catalyst, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04467

Источник: RIKEN