Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben de waterstofopslagreacties in een veelbelovend materiaal gesimuleerd en ontdekt waarom de waterstofopname langzamer gaat naarmate het materiaal waterstof absorbeert, wat inzicht biedt dat kan worden gebruikt voor verbeteringen.

Het verbeteren van waterstofopslag in vastestofmaterialen hangt af van een beter begrip van meerstaps chemische reacties die plaatsvinden op complexe grensvlakken. Op deze grensvlakken transformeert het materiaal van het bevatten van geen waterstof naar een met waterstof verzadigde fase, aangezien de samenstellende moleculaire eenheden reageren en binden met waterstof en structureel herschikken. Analoge transformaties regelen een verscheidenheid aan chemische en elektrochemische energieopslagcontexten, van waterstofopslagmaterialen tot batterijen.

Om de onderliggende mechanismen te onthullen die betrokken zijn bij de hydrogenering van magnesiumdiboride (MgB₂ ), heeft een team van LLNL-wetenschappers moleculaire dynamica-simulaties gebruikt. Ze ontdekten dat magnesiumionen (Mg ²⁺ ) de elektrische polarisatie van moleculaire eenheden en de herverdeling van de lading aansturen die essentieel is voor het splitsen van boor (B) van het oorspronkelijke MgB₂ materiaal en waardoor sequentiële waterstofbinding aan B-atomen mogelijk wordt om het met waterstof verzadigde Mg(BH₄ te vormen )₂ fase. Met name in de buurt van Mg ²⁺ ionen polariseren BHX-eenheden, waardoor het positief geladen booratoom in het midden waterstofanionen kan aantrekken en binden, die negatief worden geladen door interacties met Mg ²⁺ . Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift ACS Applied Materials &Interfaces .

De analyse bracht bovendien een mogelijke verklaring aan het licht voor de vertraging van de waterstofopname in MgB₂ als Mg(BH₄ )₂ wordt gevormd, wat volledige hydrogenering zonder hoge temperatuur en druk in experimenten voorkomt. Borium in de zeshoekige platen van MgB₂ is minder stabiel en daarom meer geneigd om waterstof te binden wanneer de lokale omgeving Mg-arm is. Naarmate het materiaal echter verandert in Mg(BH₄ )₂ , de oppervlakken van de resterende MgB₂ materiaal wordt Mg-rijker, waardoor de hydrogenering wordt vertraagd.

"Onze simulaties leggen de reactieroutes vast in MgB₂ die leiden tot waterstofabsorptie", zegt LLNL-natuurkundige en auteur Keith Ray. "Hopelijk zal dit inzicht verder onderzoek mogelijk maken om snelle hydrogenering bij lagere temperaturen en drukken te ontsluiten."

Andere LLNL-auteurs zijn ShinYoung Kang, Liwen Wan, Sichi Li, Tae Wook Heo, Jonathan Lee, Alexander Baker en Brandon Wood. + Verder verkennen

Stoornis in oppervlaktematerialen sleutel tot betere waterstofopslag