Квантовые эффекты в сорбции водорода мезопористыми материалами

Abstract

Исследована сорбция и десорбция водорода мезопористым силикатным материалом МСМ-41 в температурном интервале 6,8–290 К. Показано, что в интервале 60–290 К в кинетике сорбции молекул Н₂ образцом МСМ-41 доминирует термоактивационный механизм, оценка энергии активации которого составила Еa ≈ ≈ 466 К. В интервале 17–60 К температурная зависимость коэффициентов диффузии молекул Н2 в МСМ-41 практически полностью отсутствовала, что характерно при преобладании туннельного механизма диффузии над термоактивационным. В интервале 8–17 К наблюдалось изменение подвижности молекул Н₂ в каналах МСМ-41, что, по-видимому, соответствует формированию при охлаждении (либо разрушению при нагреве) монослоя и последующих слоев водорода, сконденсированного на внутренней поверхности каналов, энергия активации этого процесса Еm ≈ 21,2 К. При температуре ниже 8 К коэффициенты диффузии Н₂ слабо зависят от температуры, что, предположительно, соответствует изменению механизма заполнения каналов МСМ-41 от послойного роста пленки на внутренней поверхности канала к капиллярной конденсации молекул Н₂. Результаты работы сопоставлены с данными, полученными ранее для низкотемпературной сорбции водорода жгутами углеродных нанотрубок.

Досліджено сорбцію та десорбцію водню мезопористим силікатним матеріалом МСМ-41 в температурному інтервалі 6,8–290 К. Показано, що в інтервалі 60–290 К в кінетиці сорбції молекул Н₂ зразком МСМ-41 домінує термоактиваційний механізм, оцінка енергії активації якого склала Еa ≈ 466 К. В інтервалі 17–60 К температурна залежність коефіцієнтів дифузії молекул Н₂ в МСМ-41 практично повністю відсутня, що характерно в разі переважання тунельного механізму дифузії над термоактиваційним. В інтервалі 8–17 К спостерігалася зміна рухливості молекул Н₂ в каналах МСМ-41, що, вірогідно, відповідає формуванню при охолодженні (або руйнуванню при нагріванні) моношару і наступних шарів водню, який сконденсовано на внутрішній поверхні каналів, енергія активації цього процесу Еm ≈ 21,2 К. При температурі нижче 8 К коефіцієнти дифузії Н₂ слабо залежать від температури, що, імовірно, відповідає зміні механізму заповнення каналів МСМ-41 від пошарового росту плівки на внутрішній поверхні каналу до капілярної конденсації молекул Н₂. Результати роботи зіставлені з даними, які отримані раніше для низькотемпературної сорбції водню джгутами вуглецевих нанотрубок.

The sorption and desorption of hydrogen by mesoporous MCM-41 silicate material is studied at temperatures ranging from 6.8 to 290 K. It is found that a thermally activated mechanism with an estimated activation energy Ea ≈ 466 K predominates in the H₂ sorption kinetics of an MCM-41 sample for temperatures of 60–290 K. For temperatures of 17–60 K the diffusion coefficient of H ₂ molecules in MCM-41 is almost entirely temperature independent, which is typical when a tunneling diffusion mechanism predominates over the thermally activated mechanism. Within the 8–17 K range, a change in the mobility of H₂ molecules in the channels of MCM-41 is observed that appears to correspond to the formation of a monolayer (or its destruction during heating) and subsequent layers of hydrogen which have condensed on the inner surfaces of the channels. This process has an activation energy Em ≈ 21.2 K. At temperatures below 8 K the diffusion coefficients of H₂ depend weakly on temperature. This presumably corresponds to a change in the mechanism for filling of the channels of MCM-41 from the layer-by-layer growth of film on the inner surfaces of the channels to capillary condensation of H ₂ molecules. These results are compared with previously obtained data on low-temperature sorption of hydrogen by bundles of carbon nanotubes.