Kovy jako „skladiště“ vodíku

Perspektiva postupného vyčerpání fosilních paliv vedla ke stimulaci výzkumných odvětví, která se zabývají problémem alternativních zdrojů a skladováním energie. Zajímavou náhradou uhlovodíků se ukazuje vodík, narážíme však na problémy s jeho skladováním.

Vodík teoreticky můžeme skladovat jako dosud v ocelových lahvích natlakovaných na 150 atmosfér. Novodobé kompozitní materiály dovolují vyvinout tlakové nádoby lehčí a odolávající vyšším tlakům. Ale i když pomineme bezpečnostní rizika, hustota zůstává pozadu za kapalným vodíkem, jehož využití si žádá ochladit vodík na bod varu (za normálního tlaku –253 °C) a udržovat jej v tepelně izolované nádobě. Ani sebelepší izolace však nezabrání tomu, aby se vodík postupně neodpařoval.

Žádná z těchto nectností se neobjevuje u skladování vodíku ve formě hydridů kovů. Oč jde? S řadou kovů vodík vytváří takzvané intersticiální sloučeniny. Můžeme si představit, že kladně nabité protony vodíkových jader obsadí některé vhodné intersticiální polohy v krystalové mříži (tj. polohy v mezerách mezi velkými atomy kovu), zatímco elektrony vodíku jsou „kolektivizovány“ podobně jako vnější elektrony kovových prvků a přispívají tak do kovové vazby.

Krystalová mříž pak mírně expanduje a v některých případech se snaží přizpůsobit, aby mohla pohltit ještě více vodíku. Může dokonce měnit symetrii. V první fázi dojde k náhodnému rozmístění několika atomů vodíku ve značném množství intersticiálních poloh. Dodáme-li více vodíku, v některých případech můžeme dosáhnout obsazení všech nebo téměř všech intersticiálních poloh. Objem krystalu pozorovatelně vzroste, někdy o deset i více procent. To vede zpravidla k fragmentaci – z kusu kovu se stává jemný prášek, neboť hydrogenace postupuje zvenčí a materiál je postupně narušován. Takový hydrid je stabilní za normálního tlaku a teploty, nepotřebuje tedy speciální tlakovou nádobu, ale již po mírném zahřátí je vodík postupně uvolňován.

Zajímavé je, že tendenci k takovému pohlcování vodíku mají kovy z různých částí periodické tabulky. Kromě silně reaktivních kovů z její levé časti, jako je hořčík (Mg) nebo lithium (Li), lze hydridy najít např. u ušlechtilejších kovů jako niob (Nb), tantal (Ta), či dokonce palladium (Pd). Někdy, jako např. u niklu (Ni), je třeba materiál vystavit vysokému tlaku vodíku (řádově 1000 atmosfér; pozn. red.: 1 atmosféra = 101 325 pascalů) a výsledný monohydrid NiH opět plyn po snížení jeho tlaku uvolní.