Verbetering van de opslag van MgH₂-waterstof met met zuurstofvacatures verrijkte H-V₂O₅-nanosheets als een actieve H-pomp

Met de uitputting van fossiele brandstoffen en de opwarming van de aarde is er een dringende behoefte aan het zoeken naar groene, schone en efficiënte energiebronnen. Tegen deze achtergrond wordt waterstof beschouwd als een potentiële kandidaat voor het vervangen van fossiele brandstoffen vanwege de hoge energiedichtheid en het milieuvriendelijke karakter ervan. Om de ontwikkeling van een waterstofeconomie te realiseren zijn veilige en efficiënte waterstofopslagtechnologieën cruciaal.

Vergeleken met traditionele opslagtechnologieën voor gecomprimeerde waterstof en cryogene vloeibare waterstof, wordt waterstofopslag in vaste toestand als een veiligere en efficiëntere methode beschouwd. Magnesiumhydride (MgH₂), als een van de meest veelbelovende vastestofmaterialen voor waterstofopslag, heeft de aandacht getrokken vanwege zijn overvloedige elementaire hulpbronnen, hoge waterstofopslagcapaciteit, goede omkeerbaarheid en niet-toxiciteit. Echter, de relatief hoge bedrijfstemperatuur van MgH₂ beperkt de grootschalige commerciële toepassing ervan in de opslag van waterstof in voertuigen of stationair.

Het introduceren van op overgangsmetalen gebaseerde katalysatoren met unieke driedimensionale elektronische structuren wordt beschouwd als een effectieve methode om de kinetiek van MgH te verbeteren₂. Vanadium (V) en zijn oxiden worden vaak gebruikt als katalysatoren voor MgH₂ vanwege hun multivalentie en hoge katalytische activiteit. Vanwege de hoge ductiliteit van metallisch vanadium en de relatief lage activiteit hebben op vanadium gebaseerde oxiden echter bredere toepassingsmogelijkheden.

Gelaagde V₂O₅ met een gelaagde structuur is een van de veelbelovende katalysatoren om de waterstofopslagprestaties van MgH te verbeteren₂/Mg, maar beperkte katalytische capaciteit vanwege onvoldoende contact tussen V₂O₅ en MgH₂.

Om dit probleem aan te pakken, gebruikte het team van Dr. Jianxin Zou aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit een solvothermische methode gevolgd door daaropvolgende hydrogenering om ultradunne gehydrogeneerde V te bereiden.₂O₅ nanosheets met overvloedige zuurstofvacatures en gebruikten deze als katalysatoren om de waterstofopslagprestaties van MgH te verbeteren₂.

De studie is gepubliceerd in het journaal Nano-microbrieven.

De MgH₂-HV₂O₅ composietmateriaal vertoont uitstekende waterstofopslagprestaties, inclusief een lagere desorptietemperatuur (T_begin = 185°C), snelle desorptiekinetiek (E_A = 84,55 kJ mol⁻¹ H₂ voor desorptie) en cyclische stabiliteit op lange termijn (capaciteitsbehoud tot 99% na 100 cycli). Vooral de MgH₂-HV₂O₅ composietmateriaal vertoont uitstekende waterstofabsorptieprestaties bij kamertemperatuur, met een waterstofabsorptiecapaciteit van 2,38 gew.% binnen 60 minuten bij 30°C.

De HV₂O₅ nanosheets gesynthetiseerd door het team van Dr. Zou bezitten een unieke tweedimensionale structuur en overvloedige zuurstofvacatures, waardoor de in-situ vorming van V/VH mogelijk wordt₂ tijdens het reactieproces, die allemaal bijdragen aan het verbeteren van de waterstofopslagprestaties van MgH₂.

Door een solvothermische methode te gebruiken om een ​​aparte anisotrope gelaagde structuur te creëren, wordt een sterk blootgesteld oppervlak gevormd, waardoor actievere plaatsen en routes voor waterstof/elektronendiffusie worden geboden, waardoor de prestaties van de waterstofopslag worden verbeterd. Bovendien versnelt de aanwezigheid van zuurstofvacatures, van cruciaal belang, de elektronenoverdracht, waardoor het “waterstofpomp”-effect van VH wordt gestimuleerd.₂/V, waardoor de dehydrogenering van VH wordt vergemakkelijkt₂ en MgH₂en het verminderen van de energiebarrières voor waterstofdissociatie en recombinatie.

Het introduceren van zuurstofvacancy-defecttechniek in de katalysator opent dus een nieuwe weg voor het verbeteren van de cyclische stabiliteit en kinetische prestaties van MgH₂.