Понятие о первичных и вторичных источниках энергии. Термодинамическая оценка качества различных видов энергии с помощью функции эксэргии. Экология процессов горения с участием водорода. Топливные элементы. Перспективы использования в качестве энергоносителя на наземном транспорте, авиации, космической технике и подводном флоте. Применение водорода в химической, нефтехимической и металлургической промышленности. Никель-гидридные аккумуляторы. Тепловые насосы и термосорбционные компрессоры. Водород и синтетическое топливо.

II. Водород: общие сведения.

1. Водород в природе. Строение атома и молекулы. Изотопия и изомерия. Физические, термодинамические, теплофизические и теплотехнические свойства.
2. Сжижение и хранение жидкого водорода.
3. Изомерия водорода. Проблема пара и орто-воды.
4. Водород в твердом состоянии.
5. Проблема металлического водорода.

III. Химия водорода

1. Ионные, ковалентные и 'металлические' бинарные гидриды, тернарные и комплексные гомо и гетероядерные гидриды переходных и непереходных металлов. Структурные, химические, физико-химические и каталитические свойства.
2. Ковалентные и ионные гидриды как компактные и обратимые источники водорода. Термодинамика, Р, Т -диаграммы состояния, термолиз, условия обратимости реакции 'образование↔ разложение' Получение исходных соединений и условия выделения водорода.
3. Обратимое химическое взаимодействие водорода с металлами, сплавами и интерметаллидами. Термодинамические параметры гидридов, равновесные давления, гистерезис. Моно- и полиметаллические композиционные материалы с участием инертных и активных неметаллических матриц, аморфные, нанокристаллические металлы и 'механические сплавы'. Механохимические методы синтеза и активации.
4. Водород в неорганическом и органическом синтезах. Получение аммиака, метанола и изоцианатов. Применение водорода в гидрировании жиров, в синтезе высокомолекулярных соединений, нефтеочистке, в металлургии и плазмохимии. Использование ковалентных комплексных и металлорганических гидридов в качестве катализаторов гидрирования и гидрометаллирования ненасыщенных углеводородов.

IV. Способы получения, очистки и хранения водорода.
1. Способы получения водорода. Лабораторные, промышленные, биохимические и другие.
2. Промышленные способы получения водорода. Основные сырьевые источники получения водорода. Электролиз водных растворов. Механизм и энергетика процессов. Процессы паровой, кислородной и углекислотной конверсии и конверсии природного газа. Сравнительные э нергозатраты при получении водорода электролизом воды и конверсией природного газа. Эволюция технологических процессов конверсии природного газа. Роль гетерогенного катализа в совершенствовании процессов конверсии. Получение водорода газификацией угля и биоорганического сырья. Вопросы экологии и экономики промышленного получения водорода
3. Альтернативные способы получения водорода. Фотокаталитическое разложение воды, электрохимический фотолиз. Гидролиз и высокотемпературный термолиз ионных и ковалентных гидридов металлов, растворение металлов, пиролиз углеводородов. Радиолиз воды и диоксида углерода, плазмохимические методы, термохи мические, термоэлектрохимические и термофотохимические циклы для получения водорода. Химизм, экология и экономика процессов. Сравнительные характеристики известных способов получения водорода.
4. Биохимические способы получения водорода. Ферменты, их структура, современные представления о ферментативном катализе. Иммобилизация ферментов. Ферменты, активирующие молекулярный водород (гидрогеназы). Кинетика и механизм действия гидрогеназ. Понятие о микроорганизмах. Кинетика роста микробных популяций. Иммобилизация микроорганизмов. Водородпродуцирующие микроорганизмы. Конверсия энергии органического топлива в водород путями темновой ферментации и с использованием света, биофотолиз. Понятие о биореакторах.
5. Методы очистки водорода. Методы выделения водорода из газовых смесей. Мембранные технологии, адсорбционные методы с участием гидридов металлов и сплавов. Оксидные мембраны для спонтанного разделения газов. Мембранные химические реакторы для конверсии метана.
6. Хранение и транспортировка водорода. Новейшие достижения в области газобаллонной техники. Хранение жидкого водорода, комбинированные крио-компрессионные методы хранения. Адсорбционные методы хранения: адсорбция водорода на углеродсодержащих материалах, супрамолекулярные системы со слабосвязанным водородом, новые идеи в области адсорбционных методов аккумулирования водорода. Хранение водорода в связанном состоянии: гидриды всех типов, их композиции с инертными и активными наполнителями и матрицами. Практические аспекты металлогидридного метода хранения водорода. Кинетические особенности реакций гидридообразования и методы их регулирования. Тепло- и массоперенос в металлгидридных системах, циклическая стабильность и влияние на нее примесей в водороде.
7. Вопросы безопасности производства, хранения и использования водорода. Особенности водорода, связанные с пожар о - и взрывоопасностью, физиологическое воздействие на человека и окружающую среду, условия безопасности при производстве, хранении, транспортировании и использовании водорода, вопросы водородного материаловедения, требования к лабораторным и производственным помещениям.

V. Электрохимические генераторы и топливные элементы.

1. Гальванические элементы: классификация, принципы действия, первичные (разовые) и вторичные (обратимые или перезаряжаемые) элементы.
2. Материаловедческие аспекты проблемы топливных элементов. Атомное (ионное) разупорядочение твердых тел. Возбуждение и разупорядочение в электронной подсистеме. Роль примесей. Диффузия и проводимость в твердом теле. Основные типы твердых электролитов. Электролиты с собственным, примесным и структурным разупорядочением. Композитные электролиты. Электролиты с проводимостью по катионам, кислороду и протонам. Требования к электродным материалам (адсорбционная и каталитическая активность, высокая смешанная проводимость, обратимость). Примеры традиционных и современных электродных материалов. Благородные металлы. История и перспективы применения.
3. Принцип работы топливного элемента. Окислительно-восстановительные реакции на электродах. Основные типы промышленных восстановителей: водород, углеводороды, одно- и многоатомные спирты. Экзотические случаи: аммиак, гидразин. Кислород и воздух как окислители. Классификация по типу ионных проводников: кислородпроводящие (SOFC), водородпроводящие, в том числе полимерные, расплавные и растворные ТЭ. Основные процессы в топливных элементах. Термодинамика и кинетика процессов в топливных элементах. Токи и потенциалы ТЭ. Мощность ТЭ. Оптимизация условий работы ТЭ.
4. Водородные топливные элементы для работы при низких температурах. Растворные топливные элементы. Реакц ии ио низации водорода и кислорода в растворах. Особенности катодных и анодных процессов в щелочных и фосфорнокислых ТЭ. Электрокатализ. Катодные и анодные материалы для ТЭ Конструктивные особенности жидкостных ТЭ. Основные достоинства и недостатки жидкостных ТЭ.
5. Полимерные ТЭ. Nafion: строение, механизм протонного переноса, транспортные параметры: зависимость от температуры и влажности окружающей среды. Nafion-подобные протонпроводящие полимеры. Среднетемпературные мембраны на основе полибензимидазолов. Основные транспортные параметры. Перспективы новых протонпроводящих мембран. Неорганические протонпроводящие материалы и композиты на их основе. Гетрополисоединения, особенности протонного переноса в этих структурах, композитные материалы на основе гетерополисоединений. Гидросульфат цезия и другие безводные суперпротоники. Композиты на основе гидросульфатов и гидрофосфатов. Катодные и анодные процессы в полимерных ТЭ. Катодные и анодные материалы. Конструктивные особенности полимерных ТЭ. Основные преимущества и недостатки полимерных ТЭ. Новые направления в разработке водородных ТЭ.
6. Топливные элементы при средних и высоких температурах. Топливные элементы на оксидных твердых электролитах (SOFC). Электролиты и электроды. Топливо и окислитель. Материалы для топливных элементов с кислородной и протонной проводимостью. Способы получения материалов с протонной и кислородной проводимостью. Обратимые окислительно-восстановительные реакции в твердых телах с участием водорода и кислорода. Средне- и высокотемпературные системы. Общие проблемы ресурса ТЭ и деградации материалов.
7. Биоэлектрокатализ. Биотопливный элемент и его преимущества. Водородные ферментные электроды на основе гидрогеназ.
8. Развитие и перспективы электрохимических энергетических технологий. Критические проблемы. Наноионика. Наноматериалы для электрохимических устройств.

VI. Детекторы и сенсоры водорода

Особенности и основные типы газовых сенсоров. Физические принципы детектирования водорода: полупроводниковые сенсоры и МДП-структуры, сенсоры теплопроводности. Химические принципы детектирования: каталитические и электрохимические сенсоры. Сенсорные системы на основе твердых электролитов. Основные характеристики сенсоров - быстродействие, селективность, время жизни и пути управления ими. Конструкционные особенности сенсоров.

VII. Перспективы использования водорода как электроносителя

1. Водород в портативных устройствах: мобильная связь, компьютеры, военные применения. Конструкционные особенности малогабаритных ТЭ, пути миниатюризации. Основные характеристики малогабаритных ТЭ. Источники водорода для портативных ТЭ. Экология и экономика портативных ТЭ. Никель-металлогидридные аккумуляторы
2. Водород на транспорте: автомобили, подводные лодки, самолеты. Водород как добавка к топливу. Водородный двигатель. Особенности устройства ТЭ для транспорта. Комбинированные водородно-бензиновые и водородно-спиртовые источники электроэнергии. Водород в космонавтике. Экономика и экология водородного транспорта.
3. Большая энергетика и водород. Место водородной энергетики в единой системе энергообеспечения. Автономное энергообеспечение. Концепции атомно-водородной и солнечно-водородной энергетики. 'Узкие места' водородной энергетики и пути их преодоления. Сравнительная экологическая характеристика различных способов производства энергии.

VIII. Водородное материаловедение

1. Взаимодействие водорода с конструкционными материалами: физические, химические и механические аспекты. Водородное охрупчивание. Сравнительная оценка водородостойкости сталей и сплавов.
2. Водородная обработка материалов. Водородный фазовый наклеп. Гидридной диспергирование и процесс HDDR как метод получения дисперсных магнитных материалов. Эффект памяти формы в металл-водородных системах. Водородиндуцированная аморфизация интерметаллических соединений.
3. Водород в функциональных материалах. Влияние водорода на электрические свойства полупроводниковых материалов на основе оксидов и нитридов металлов. Водород в кварцевых оптических волокнах, радиационно стойкие световоды, рамановские волоконные лазеры и усилители.