Klein en dun gaan voor een betere opslag van waterstof

Een samenwerking met wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Sandia National Laboratories, het Indian Institute of Technology Gandhinagar en Lawrence Berkeley National Laboratory heeft ultradunne nanobladen van 3-4 nanometer gemaakt van een metaalhydride die de opslagcapaciteit voor waterstof vergroten. Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Klein.

Er is behoefte aan technologieën voor duurzame energieopslag die het intermitterende karakter van hernieuwbare energiebronnen kunnen aanpakken. Op waterstof gebaseerde technologieën zijn veelbelovende langetermijnoplossingen die de uitstoot van broeikasgassen verminderen.

Waterstof heeft de hoogste energiedichtheid van alle brandstoffen en wordt beschouwd als een levensvatbare oplossing voor vervoer over land, vliegtuigen en zeeschepen. Koolwaterstofbrandstofbronnen presteren echter beter dan gecomprimeerd waterstofgas in termen van volumetrische energiedichtheid, wat de ontwikkeling van alternatieve, op materialen gebaseerde opslagmethoden met een hogere dichtheid motiveert.

Complexe metaalhydriden zijn een klasse van waterstofopslagmaterialen die, hoewel ze een hoge absolute opslagcapaciteit hebben, extreme drukken en temperaturen kunnen vereisen om die capaciteit te bereiken. Het team pakte deze uitdaging aan door nano-afmetingen uit te voeren, waardoor het oppervlak om met waterstof te reageren groter wordt en de vereiste diepte van hydrogenering afneemt. Eerdere studies hebben magnesiumdiboride op nanoschaal (MgB₂), inclusief werk van LLNL, was het materiaal in die studie echter niet zo dun en geclusterd.

Het materiaal dat in deze meest recente samenwerking is gemaakt, is afkomstig van oplosmiddelvrije mechanische exfoliatie in zirkoniumoxide, wat materiaal opleverde dat slechts 11-12 atomaire lagen dik is en kan hydrogeneren tot ongeveer 50 keer de capaciteit van het bulkmateriaal.

Deze 50-voudige toename van de hydrogenering komt netjes overeen met een 50-voudige toename van de verhouding tussen oppervlak en volume, wat suggereert dat zowel het bulk- als het nanobladmateriaal ongeveer de eerste twee lagen hydrogeneren, een universeel gedrag onafhankelijk van de deeltjesgrootte. Voor twee lagen aan weerszijden van het 11-12-laags nanomateriaal vertegenwoordigt dit een derde van de maximale waterstofcapaciteit van MgB₂.

MgB₂ bestaat uit afwisselende magnesium- en boorlagen waarbij ladingsoverdracht van de magnesiumlaag naar de boorlaag de stabiliteit van de boorlaag bepaalt. LLNL-berekeningen laten zien dat de onvolledige Mg-dekking op het oppervlak van het materiaal energetisch de voorkeur geeft aan een oppervlaktestructuur met eilanden met volledige magnesiumdekking en andere gebieden met minder stabiele, ongeordende boorlagen aan het oppervlak. Voortbouwend op eerder werk over de ontregeling van boorlagen aan het oppervlak, laten berekeningen zien hoe magnesiumdekking op MgB₂ evolueert terwijl het hydrogeneert.

“Deze resultaten laten zien hoe een reactieve MgB₂ oppervlak met blootliggend boor kan stabieler worden naarmate het hydrogeneert omdat de magnesiumdekking toeneemt, “zei LLNL-natuurkundige en auteur Keith Ray. “Door dit mechanisme vertraagt ​​​​en stopt de hydrogenering voor matige hydrogeneringsomstandigheden.

“Verdere nano-afmetingen of een nieuwe chemische modificatie om de toename van oppervlaktemagnesium te vertragen of te verstoren, kan MgB verder verhogen.”₂ prestaties als waterstofopslagmateriaal”, voegde hij eraan toe.