Wetenschappers onderzoeken een betere manier om waterstof vrij te maken die is opgeslagen in waterstofborideplaten

De dreigende dreiging van klimaatverandering heeft wetenschappers over de hele wereld gemotiveerd om te zoeken naar schonere alternatieven voor fossiele brandstoffen, en velen geloven dat waterstof onze beste keuze is. Als milieuvriendelijke energiebron is waterstof (H₂) kan worden gebruikt in voertuigen en elektriciteitscentrales zonder kooldioxide in de atmosfeer vrij te geven.

Echter, het opslaan en transporteren van H₂ veilig en efficiënt blijft een uitdaging. Samengeperste gasvormige waterstof brengt een aanzienlijk risico op explosie en lekkage met zich mee, terwijl vloeibare waterstof op extreem lage temperaturen moet worden gehouden, wat kostbaar is. Maar wat als we waterstof rechtstreeks zouden kunnen opslaan in de moleculaire samenstelling van andere vloeibare of vaste materialen?

Dit was de focus van een team van wetenschappers uit Japan, die in een recent onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Klein, onderzocht het potentieel van waterstofboride (HB) platen als praktische waterstofdragers. Het opslaan van waterstof in HB-platen is geen geheel nieuw concept en veel aspecten van hun potentiële toepassingen als waterstofdragers zijn al bestudeerd. Het is echter lastig om de waterstof uit de platen te krijgen.

Verwarming bij hoge temperaturen of sterke ultraviolette (UV) verlichting is vereist om waterstof (H₂) van HB-bladen. Beide benaderingen hebben echter inherente nadelen, zoals een hoog energieverbruik of onvolledige H₂ uitgave.

Daarom verdiepte het team zich in een mogelijk alternatief: elektrochemische afgifte. Gebaseerd op het mechanisme van UV-geïnduceerde H₂ vrijkomen uit HB-platen speculeerde het team dat elektroneninjectie van een kathode-elektrode in HB-nanoplaten door een elektrische voeding een superieure manier zou kunnen zijn om HB vrij te geven.₂ vergeleken met UV-straling of verwarming.

Op basis van deze theorie dispergeerden de onderzoekers HB-vellen in acetonitril, een organisch oplosmiddel, en pasten ze een gecontroleerde spanning toe op de dispersie. Uit deze experimenten bleek dat bijna alle elektronen die in het elektrochemische systeem werden geïnjecteerd, werden gebruikt om H⁺ ionen van de HB-vellen naar H₂ moleculen. Met name de Faradaïsche efficiëntie van dit proces, die meet hoeveel elektrische energie wordt omgezet in chemische energie, bedroeg meer dan 90%.

Het team voerde ook experimenten met het traceren van isotopen uit om te bevestigen dat de elektrochemisch vrijgekomen H₂ is afkomstig van de HB-platen en niet van een andere chemische reactie. Bovendien maakten ze ook gebruik van scanning-elektronenmicroscopie en röntgenfoto-elektronenspectroscopie om de platen voor en na H te karakteriseren.₂ release, wat meer inzicht oplevert in de onderliggende mechanismen van het proces.

Deze bevindingen dragen bij aan de ontwikkeling van veilige en lichtgewicht waterstoftankers met een laag energieverbruik. Hoewel het team de verspreide vorm van de HB-vellen in het gepubliceerde artikel heeft bestudeerd, zijn de huidige bevindingen van toepassing op film- of bulkgebaseerde HB-vellensystemen voor H₂ uitgave. Bovendien zal het team in een toekomstige studie de herlaadbaarheid van HB-vellen na dehydrogenering onderzoeken.