Гидрофуллерит C₆₀Н₆₀

Abstract

Фуллерен є четвертою алотропною формою вуглецю. Такі властивості, як об’ємна (8,25⋅10²² атомів H/см³ ), масова (7,7 мас.% H) і електрохемічна (2000 мА⋅год./г) місткості фуллериту перевершують багато аналогічних властивостей металогідридів та вуглеводнів. Розв’язання проблеми реверсивного гідрування кожного атома вуглецю в каркасі фуллеренової молекули уможливить створити сховище водню з місткістю до 7,7 мас.% H. У цій роботі оцінено повну воднемісткість фуллериту С₆₀; експериментально одержано гідрофуллерени з різним вмістом водню; визначено оптимальний режим гідрування С₆₀, що призводить до повного гідрування фуллеренової молекули С₆₀. З’ясовано, що послідовність утворення гідрованої фуллеренової молекули С₆₀Н₆₀ у фуллериті складається з: розчинення молекулярного водню в октапорах ГЦК-ґратниці фуллериту, дисоціації молекул при переході водню в тетраедричні порожнечі, взаємодії атома водню з молекулою фуллерену; показано, що процес хемосорбції водню молекулою С₆₀ після концентрації водню, що відповідає С₆₀Н₃₆, лімітується дифузійними процесами у фуллериті. Аналіз показав, що процес другої стадії хемосорбції підпорядковується моделі оболонки, що стискається; запропоновано модель взаємодії H₂ з фуллеритом C₆₀; запропоновано механізм визначення ступеня гідрування молекули С₆₀.

Фуллерен является четвёртой аллотропной формой углерода. Такие свойства, как объёмная (8,25⋅10²² атомов H/см³), массовая (7,7 масс.% H) и электрохимическая (2000 мА⋅час/г) ёмкости фуллерита превосходят многие аналогичные свойства металлогидридов и углеводородов. Решение проблемы реверсивного гидрирования каждого атома углерода в каркасе фуллереновой молекулы позволит создать хранилище водорода с ёмкостью до 7,7 масс.% H. В настоящей работе оценена полная водородоёмкость фуллерита С₆₀; экспериментально получены гидрофуллерены с различным содержанием водорода; определён оптимальный режим гидрирования С₆₀, приводящий к полному гидрированию фуллереновой молекулы С₆₀. Выяснено, что последовательность образования гидрированной фуллереновой молекулы С₆₀Н₆₀ в фуллерите состоит из: растворения молекулярного водорода в октапорах ГЦК-решётки фуллерита, диссоциации молекул при переходе водорода в тетраэдрические пустоты, взаимодействия атома водорода с молекулой фуллерена; показано, что процесс хемосорбции водорода молекулой С₆₀ после концентрации водорода, отвечающей С₆₀Н₃₆, лимитируется диффузионными процессами в фуллерите. Анализ показал, что процесс второй стадии хемосорбции подчиняется модели сжимающейся оболочки; предложена модель взаимодействия H₂ c фуллеритом C₆₀; предложен механизм определения степени гидрирования молекулы С₆₀.

Fullerene is the fourth allotropic form of carbon. Its properties, as the bulk (8.25⋅10²² atoms H/cm³ ), mass (7.7 wt.% H) and electrochemical (2000 mА⋅h/g) capacities of fullerite, exceed many similar properties of metal hydrides and hydrocarbons. The problem solution of reversible hydrogenation of each carbon atom in the fullerene molecule skeleton will allow creating the hydrogen storage of capacity up to 7.7 wt.% H. In a given paper, the total hydrogen capacity of C₆₀ fullerite is estimated; hydrofullerenes with different hydrogen content are experimentally fabricated; the optimal mode of C₆₀ hydrogenation is determined, leading to the complete hydrogenation of the C₆₀ fullerene. As found, the sequence of formation of hydrogenated fullerene molecule C₆₀H₆₀ in fullerite consists of dissolution of molecular hydrogen in the octahedral pores of f.c.c. lattice of fullerite, dissociation of molecules in the transition of hydrogen into the tetrahedral interstices, hydrogen atom interaction with a fullerene molecule. As shown, the process of hydrogen chemisorption by C₆₀ molecule after the hydrogen concentration corresponding to C₆₀H₃₆ is limited by diffusion processes in fullerite. The analysis shows that the process of the second stage of chemisorption follows the model of imploding shell; a model of the H₂ interaction with C₆₀ fullerite is advanced; the mechanism for determining the degree of the C₆₀ molecule hydrogenation is proposed.