Hydrogen sorption by nanostructures at low temperatures

Анотація

Розглянуто особливості сорбції водню широким спектром наноструктур — фулеритом С₆₀, вуглецевими нанотрубками, графеновими структурами, нанодисперсним вуглецем, у тому числі, що містить нанокластери паладію, а також упорядкованими наноструктурами на основі оксиду кремнію сімейства МСМ-41 та кремнійоксидним аерогелем. Проаналізовано вплив на сорбційні характеристики цих речовин різних методів модифікації: окислення, опромінення гамма-квантами у газовій атмосфері та обробки високочастотним імпульсним газовим розрядом. Показано, що у фізичній сорбції водню наноструктурами за низьких температур можна виділити два механізми, що домінують у різних температурних інтервалах. При мінімальних температурах дослідження сорбції (8–12 К) переважає майже безтермоактиваційний механізм, пов’язаний з тунельним переміщенням молекул водню вздовж поверхонь наноструктур. Періодичність потенційного рельєфу, зумовлена поверхнею каркасних вуглецевих і кремнійоксидних наноструктур, разом з низькою величиною проміжямних бар’єрів є умовами для створення зформованих з молекул водню систем зниженої розмірності (у тому числі квантових), здатних до безтермоактиваційної дифузії. В результаті дії цього механізму, в області температур від 8 до 12 К коефіцієнти дифузії водню в цих наноструктурах практично не залежать від температури. За більш високих температур (12–295 К) переважає термоактиваційний механізм дифузії водню в наноструктурах. Наявність у фулериті С₆₀ розділених не надто високими потенційними бар’єрами проміжвузлевих порожнин періодичної структури, розмір яких є достатнім для розміщення домішкових молекул водню, створює умови для дифузійних процесів, які при низьких температурах також можуть мати тунельний характер. Наведено експериментальні підтвердження впливу модифікації наноструктур через радіаційне опромінення γ-квантами, обробку високочастотним розрядом, а також хімічну обробку на їхні сорбційні характеристики. Показано, що опромінення γ-квантами та обробка високочастотним газовим розрядом суттєво збільшують кількість водню, пов’язаного з дослідженими наноструктурами.