Обратимое хранение H2 при умеренной температуре с помощью трёхслойного нанокомпозита на основе боргидрида лития

Более чистое топливо для повседневной жизни

Водород часто называют чистым топливом, которое могло бы приводить в движение автомобили, грузовики и даже целые районы, выделяя в качестве продукта только воду. Но чтобы сделать это видение практичным, необходимы безопасные и компактные способы хранения водорода на борту транспортных средств при умеренных температурах. В этом исследовании представлен изящный «слоёный» наноматериал, который способен удерживать и выпускать большие количества водорода значительно легче, чем раньше, что приближает водородный транспорт к реальности.

Многообещающая, но упрямая губка для водорода

В центре этой работы находится боргидрид лития — твердое соединение, способное хранить впечатляющее количество водорода по массе и объёму, что делает его привлекательным для применения в транспорте. Проблема в том, что этот материал слишком устойчив: обычно для высвобождения водорода требуются очень высокие температуры, а обратное поглощение протекает неохотно, что ухудшает эффективность и долговечность. За последние два десятилетия учёные пробовали множество приёмов, чтобы «приручить» его: добавляли другие элементы, измельчали до наночастиц или фиксировали внутри пористых структур. Эти шаги помогли, но температуры всё ещё оставались слишком высокими, чтобы можно было использовать преимущественно теплоты, выделяемой топливным элементом.

Создание трёхслойного наносэндвича

Исследователи разработали новую структуру, в которой компоненты уложены в точном порядке на нанометрическом масштабе. Нижний слой — лист графена, ультратонкая и прочная форма углерода, служащая в качестве опорной платформы. На нём сформировали средний слой из крошечных кластеров никеля, всего в несколько нанометров в поперечнике. Наконец, наночастицы боргидрида лития образовали верхний слой, располагаясь преимущественно на никеле, а не непосредственно на графене. Тщательная электронно-микроскопическая визуализация подтвердила эту трёхслойную структуру: графен в основании, равномерное распределение никелевых нанокластеров наверху и слой частиц боргидрида лития сверху. Содержание никеля и размеры частиц были подобраны так, чтобы боргидрид лития оставался тонко диспергированным и хорошо распределённым.

Хранение большего количества водорода при более щадящих температурах

При испытаниях поведения трёхслойного материала с водородом результаты оказались впечатляющими. По сравнению с чистым боргидридом лития температура начала высвобождения водорода снизилась более чем на 100 градусов Цельсия. Композит мог выделять около 10,5 мас.% водорода (относительно части боргидрида лития) при умеренном нагреве, и делал это значительно быстрее, чем немодифицированный материал. Ещё важнее, что материал мог повторно поглощать водород, начиная примерно с 70 °C — одно из самых низких значений, зарегистрированных для этой семьи материалов — и способен был восстанавливать до 12,3 мас.% водорода относительно содержания боргидрида лития. Он также выдерживал как минимум 30 циклов заряда–разряда с минимальной потерей ёмкости и избегал вспенивания и разрушения, которые обычно сопровождают многократный нагрев и охлаждение этого соединения.

Как никель помогает водороду двигаться

Чтобы выяснить, почему трёхслой показал такие хорошие свойства, учёные комбинировали эксперименты с квантово-механическими расчётами. Их модели показали, что когда обогащённые бором кластеры из боргидрида лития располагаются непосредственно на никеле, никель перестраивает борную сеть и передаёт в неё электроны. Это ослабляет некоторые бор–борные связи и снижает энергию, необходимую для присоединения атомов водорода, их перемещения и образования новых бор–водородных групп. Моделирование подхода молекул водорода к интерфейсу никель–бор показало, что водород легче диссоциирует на никеле, и образовавшиеся атомы водорода быстро мигрируют по поверхности и проникают в обогащённую бором область. В отличие от этого, когда борные кластеры расположены на чистом углероде, электронное взаимодействие, как правило, затрудняет движение водорода. Вставляя никель между графеном и боргидридом лития, конструкция способствует эффективному входу и выходу водорода, одновременно надёжно фиксируя активные частицы.

Почему это важно для будущих водородных автомобилей

В повседневных терминах этот трёхслойный нанокомпозит действует как высокотехнологичная губка для водорода: она впитывает и выжимает топливо при температурах, ближе к тем, которые могут обеспечить реальные системы с топливными элементами. Графен обеспечивает механическую поддержку и помогает контролировать размер частиц; никелевые нанокластеры выступают в роли крошечных реакционных узлов, расщепляющих и перемещающих водород; а боргидрид лития удерживает большие количества водорода в компактной форме. Вместе они преодолевают давние барьеры высокой температуры и плохой обратимости. Хотя требуется дальнейшая работа по масштабированию материала и интеграции его в полноценные баки для хранения, это исследование даёт ясную схему для проектирования следующего поколения твердых носителей водорода, которые могут сделать чистые водородные транспортные средства значительно более практичными.

Цитирование: Zhang, W., Zhang, X., Li, C. et al. Reversible H₂ storage at moderate temperature by a trilayered lithium borohydride nanocomposite. Nat Commun 17, 3756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69059-y

Ключевые слова: хранение водорода, боргидрид лития, нанокомпозит, катализатор на основе никеля, графен