Waterstof (H₂ ) wordt momenteel besproken als een ideale energiedrager van hernieuwbare energiebronnen. Waterstof heeft de hoogste gravimetrische energiedichtheid van alle chemische brandstoffen (141 MJ/kg), wat drie keer hoger is dan benzine (46 MJ/kg). De lage volumetrische dichtheid beperkt het wijdverbreide gebruik ervan in transporttoepassingen, aangezien de huidige opslagopties veel ruimte vergen.

Bij omgevingstemperatuur is waterstof een gas en neemt één kilogram waterstof een volume van 12.000 liter (12 kubieke meter) in beslag. In brandstofcelvoertuigen wordt waterstof opgeslagen onder een zeer hoge druk van 700 keer de atmosferische druk, waardoor het volume terugloopt tot 25 liter per kilogram H₂ . Vloeibare waterstof heeft een hogere dichtheid, wat resulteert in 14 liter per kilogram, maar het vereist extreem lage temperaturen omdat het kookpunt van waterstof min 253 °C is.

Nu heeft een team van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen, de Technische Universität Dresden, de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en het Oak Ridge National Laboratory aangetoond dat waterstof condenseert op een oppervlak bij een zeer lage temperatuur nabij de H ₂ kookpunt, waardoor een superdichte monolaag wordt gevormd die de dichtheid van vloeibare waterstof met een factor van bijna drie overschrijdt, waardoor het volume wordt teruggebracht tot slechts 5 liter per kilogram H₂ .

Het verrassende resultaat was dat twee keer zoveel H₂ moleculen dan atomen van het edelgas argon bedekten het oppervlak, hoewel beide bijna even groot zijn. Om het aantal moleculen per gebied te verdubbelen, H₂ moleculen knijpen dicht tegen elkaar en vormen een superdichte laag.

De studie van R. Balderas-Xicohténcatl et al. omvatte cryo-adsorptie-experimenten met hoge resolutie op hooggeordend mesoporeus silica met goed gedefinieerde porie- en oppervlaktekenmerken om het aantal moleculen te bepalen dat op het oppervlak van het materiaal is gecondenseerd.

Inelastische neutronenverstrooiing is een ideaal hulpmiddel om de vorming van deze tweedimensionale waterstoflaag te volgen. Voor het eerst werd het bestaan ​​van deze superdichte waterstof in situ bevestigd. Deze directe waarneming was alleen mogelijk met behulp van de hoge-resolutie neutronenvibratiespectrometer VISION, die een inelastische telsnelheid heeft die meer dan 100 keer groter is dan welke vergelijkbare beschikbare spectrometer dan ook.

Theoretische studies bevestigen de experimentele waarnemingen van de ongewoon hoge waterstofdichtheid in de geadsorbeerde laag. De aantrekkingskrachten aan het oppervlak waren sterker dan de afstoting tussen twee waterstofmoleculen, wat resulteerde in een superdichte waterstofpakking op het mesoporeuze silica-oppervlak. De superhoge dichtheid is een gevolg van de hoge samendrukbaarheid van waterstof, dat geen kernelektronen heeft.

De vorming van de superdichte waterstoflaag bij lage temperaturen nabij het kookpunt is van fundamenteel belang. Het moet worden overwogen voor kwantitatieve analyse van H₂ adsorptie-isothermen bij 20 K. Het kan ook nieuwe mogelijkheden openen voor het vergroten van de volumetrische capaciteit van cryogene waterstofopslagsystemen voor veel toepassingen in een komende waterstofeconomie.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Chemistry . + Verder verkennen

De weg vrijmaken voor efficiëntere waterstofauto's