Очистка водорода необходима перед его применением в топливных элементах, но существующие методы не эффективны. Поэтому процесс очистки становится серьезным препятствием в применении водорода самого по себе как реального топлива.

Учёные Северо-западного университета (Northwestern University), США – проф. Меркури Канатзидис (Mercouri G. Kanatzidis) и его докторант Герасимос Арматас (Gerasimos S. Armatas) разработали класс новых пористых материалов, по структуре напоминающих медовые соты, которые на сегодня являются наиболее качественными фильтрами для очистки водорода от смешанных газов. В частности, новый материал очень эффективно отделяет водород от углекислого газа и метана. Этот новый тип материалов относится к мезопористым материалам, к которым, как известно, относятся пористые материалы, в которых поры имеют размеры от 2 до 50 нанометров.

Материалы, разработанные химиками из Чикаго, предлагают новый, неизвестный ранее, способ разделения газов и используют новую группу халькогенидов, насыщенных германием. Учёным удалось продемонстрировать фильтрующие свойства мембран из таких материалов. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Materials (Gerasimos S. Armatas & Mercouri G. Kanatzidis. Mesoporous germanium-rich chalcogenido frameworks with highly polarizable surfaces and relevance to gas separation, – Nature Materials 8, 217 – 222 (2009) | doi:10.1038/nmat2381).

В известных методах производства водорода сначала получают смеси водорода с углекислым газом или с углекислым газом и метаном. Следующий шаг существующей технологии заключается в очистке водорода от сопутствующих газов, где производится разделение молекул газа по размерам. Эта фаза процесса очень сложна и технологически трудно выполнима.

Канатзитис и Арматас предлагают лучшее решение. Их новые материалы для сепарации молекул не полагаются на размер, они основаны на поляризации и взаимодействии молекул газа со стенками материала по мере того, как эти молекулы движутся через мембрану.

Испытания одной из групп материалов, состоявшей из тяжёлых элементов – германия, свинца и теллура, включенных в структуру фильтра в форме мемраны – показали, что такая система почти в четыре раза эффективнее в отделении водорода от углекислого газа, чем традиционные методы, в которых применяются более лёгкие элементы, такие как кремний, кислород и углерод. Учёные использовали свойства атомов, которые формируют стенки изготовленной мембраны. Эти атомы, которые они назвали «мягкими атомами», охотно взаимодействуют с другими мягкими атомами и молекулами, проходящими мимо, замедляя их во время прохождения через мембрану. Водород, самый маленький элемент, является, по определению химиков, «твёрдой» молекулой. Он проскальзывает через мембрану без задержки, в то время как мягкие молекулы углекислого газа и метана проходят мембраны за гораздо большее время.

Канатзитис и Арматас тестировали свою мембрану на сложной смеси из четырёх газов. Первым просачивался водород, затем по порядку моноксид углерода, метан и диоксид углерода (углекислый газ). Водород, как самая меньшая и твёрдая молекула, практически не взаимодействовал с мембраной, а дольше всего взаимодействовала со стенками мембраны молекула диоксида углерода, как самая мягкая из четырёх.

Водород (показан белым цветом), быстро проходит через поры нового материала, а углекислый газ (красный и чёрный), взаимодействует со стенками, которые замедляют его продвижение. (Фото:Northwestern University)

Ещё одним, и очень важным, преимуществом процесса является по словам проф. Канатзитиса «удобный диапазон температур» – между нулём градусов Цельсия и комнатной температурой.

Диффузия молекул через пористый материал является, без сомнения, очень интересным наноразмерным явлением, считают ученые. Все поры в гексагональных сотах имеют строгий параллельный порядок и распределение. При этом каждое отверстие имеет размер от 2 до 3 нм, а молекулы газа – по крайней мере пол-нанометра в поперечнике.

Евгений Биргер