Очистка водорода необходима перед его применением в качестве топлива для топливных элементов, но существующие методы не совсем чистые и эффективные.

Учёные Северо-западного университета, США, Меркури Канатзидис (Mercouri G. Kanatzidis) и Герасимос Арматас (Gerasimos S. Armatas) разработали класс новых пористых материалов, по структуре напоминающих медовые соты, которые очень эффективны в очистке водорода от смешанных газов. Материал отлично отделяет водород от углекислого газа и метана.

Материалы, предлагающие новый, неизвестный ранее, способ разделения газов, представляют собой новую группу халькогенидов, насыщенных германием. Учёным удалось продемонстрировать превосходные характеристики этих эффективных мембран.

Существующие методы производства водорода вначале получают смеси водорода и углекислого газа или водорода в соединении с углекислым газом и метаном. Следующий шаг заключается в очистке водорода от этих смесей – разделяет молекулы газа на основе их размера, что трудновыполнимо.

Канатзитис и Арматас предлагают лучшее решение. Их новые материалы не полагаются на размер, они основаны на поляризации – взаимодействие молекул газа со стенками материала по мере того, как молекулы движутся через мембрану. Это основа нового метода разделения.

Испытания одной формы группы материалов – состоящей из тяжёлых элементов германия, свинца и теллура – показали, что он 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 преимущества так называемых ‘мягких’ атомов, которые формируют стенки мембраны. Эти мягкие атомы охотно взаимодействуют с другими мягкими молекулами, проходящими мимо, замедляя их во время прохождения через мембрану. Водород, самый маленький элемент, является 'твёрдой’ молекулой. Он проскальзывает через мембрану, в то время как мягкие молекулы, как углекислый газ и метан требуют больше времени.

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, меньше всего взаимодействовал с мембраной, а больше всего взаимодействовала молекула диоксида углерода, как самая мягкая из четырёх.

Водород показан белым цветом, углекислый газ - красный и чёрный. (Фото: Image courtesy of Northwestern University)

Ещё одним преимуществом процесса является ‘удобный предел температур’ – между нулём градусов Цельсия и комнатной температурой.