Их открытие в перспективе позволит разработать принципиально новое решение проблем водородной энергетики.

На схеме представлено строение образующегося при высоком давлении Xe(H2)7. Молекулы водорода (желтые гантели) могут свободно вращаться в пространстве около атомов ксенона (красные сферы). (Рисунок из Nature Chemistry, 2009, DOI: 10.1038/NCHEM.445)

Исследователи обнаружили, что при высоком давлении инертный газ ксенон может взаимодействовать с молекулярным водородом, образуя неизвестный ранее продукт с необычным типом связывания. Исследователям из Карнеги впервые удалось получить стабильное соединение, состоящее из ксенона и водорода. Результаты исследования уже позволяют говорить о создании нового класса материалов, которые потенциально могут применяться в водородной энергетике будущего.

Ксенон представляет собой инертный газ с полностью заполненной внешней электронной оболочкой, обуславливающей его крайне низкую реакционную способность. В настоящее время ксенон применяется в качестве компонента-разбавителя для анестезии, для консервирования биологических тканей и в осветительных системах.

Руководитель исследования Маддури Сомаязулу (Maddury Somayazulu) попытался изменить обычную реакционную способность ксенона, эксплуатируя свойство электронных оболочек химических элементов изменять свою конфигурацию при приложении значительного давления.

Исследователи изучили поведение газообразных смесей ксенона с водородом при повышенных давлениях. При давлении в 41000 атмосфер атомы смеси организуются в кристаллическую решетку, главным компонентом которой является водород, «разбавленных» слоями, неплотно связанных друг с другом пар атомов ксенона. Увеличение давления приводит к сближению атомов ксенона, взаимное расположение которых при сильном сжатии приобретает черты, присущие кристаллической решетке ксенона, характерной для его металлического состояния.

Соединения, получаемые при изменении давления, изучали методом рентгеноструктурного анализа, спектроскопии ИК и комбинационного рассеивания. Изучение взаимного расположения атомов ксенона позволило определить, что взаимодействие ксенона с водородом приводит к исключительной устойчивости нового соединения инертного газа и непрерывному изменению межатомных расстояний ксенон-ксенон в интервале давлении 41000 – 255000 атмосфер.

Пржемек Дера (Przemek Dera), изучавший изменение электронного строения нового соединения методом рентгеноструктурного анализа, предполагает, что причина исключительной стабильности нового соединений заключается в том, что при увеличении давления молекулы водорода «погружаются» в электронную оболочку ксенона, стабилизируя как всю кристаллическую решетку Xe(H2)n, так и связь между атомами ксенона.


Один из соавторов исследования, Рассел Хемли (Russell Hemley) отмечает, что весьма интересно получить новое соединение, чрезвычайно богатое водородом, поскольку открытие способов получение такого соединения может стать основой для разработки важных технологий будущего. Он добавляет, что полученное химиками из Карнеги продукт взаимодействия ксенона с водородом открывает путь для создания новых систем хранения водорода, а химия сверхвысоких давлений открывает возможность синтеза новых высокоэнергетических материалов.


Сомаязулу поясняет, что ксенон слишком тяжел и дорог для его непосредственного использования в хранении водорода, однако, как он полагает, изучение электронной структуры полученного соединения и выяснения причин образования прочной кристаллической решетки с постоянным составом со временем может привести к тому, что в водородной энергетике будущего ксенон можно будет заместить другим более удобным в практическом отношении веществом.

Источник