Wetenschap
Een datagestuurd model voorspelt snel dehydrogeneringsbarrières in vaste stoffen
Onderzoekers hebben een datagestuurd model ontwikkeld om de dehydrogeneringsbarrières van magnesiumhydride (MgH2) te voorspellen ), een veelbelovend materiaal voor waterstofopslag in vaste toestand. Deze vooruitgang biedt een aanzienlijk potentieel voor het verbeteren van waterstofopslagtechnologieën, een cruciaal onderdeel in de transitie naar duurzame energieoplossingen.
Waterstof, erkend vanwege zijn veelzijdigheid en potentieel voor schone energie, kan uit verschillende hernieuwbare bronnen worden geproduceerd. Vaste waterstofopslagmaterialen, met name MgH2 , worden beschouwd als uitstekende kandidaten voor efficiënte waterstofopslag vanwege hun hoge opslagcapaciteit en overvloed aan hulpbronnen.
Ondanks uitgebreid onderzoek in de afgelopen vijftig jaar zijn de materiaaleigenschappen van MgH2 moeten nog voldoen aan de prestatiedoelstellingen van het Amerikaanse ministerie van Energie (US-DOE).
De belangrijkste uitdaging ligt in het begrijpen van de fundamentele principes van waterstofopslagreacties in vaste toestand. De huidige methoden om de efficiëntie van waterstofopslagmaterialen te beoordelen, zijn gebaseerd op dehydrogeneringsenthalpie en energiebarrières, waarbij de laatste bijzonder complex en rekenintensief is om te berekenen. Traditionele zoektechnieken voor transitiestatussen, ook al worden ze in de loop van de tijd verfijnd, blijven kostbaar en tijdrovend, waardoor het tempo van ontdekking en optimalisatie wordt beperkt.
Om dit aan te pakken heeft het onderzoeksteam een model geïntroduceerd dat de dehydrogeneringsbarrières voorspelt met behulp van gemakkelijk berekenbare parameters:de kristal Hamilton-populatieorbitaal van de Mg-H-binding en de afstand tussen atomaire waterstofatomen. Door een afstand-energieverhouding af te leiden, legt het model de essentiële chemie van de reactiekinetiek vast met aanzienlijk lagere rekenvereisten dan conventionele methoden.
De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition .
"Ons model biedt een snellere, efficiëntere manier om de dehydrogeneringsprestaties van waterstofopslagmaterialen te voorspellen", zegt Hao Li, universitair hoofddocent aan het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) van Tohoku University en corresponderend auteur van het artikel. "Hiermee kunnen we de kenniskloof overbruggen die experimentele technieken achterlaten en de ontwikkeling van hoogwaardige oplossingen voor waterstofopslag versnellen."
De voorspellende kracht van het model werd gevalideerd aan de hand van typische experimentele metingen, waarbij een uitstekende overeenkomst werd aangetoond en duidelijke ontwerprichtlijnen werden gegeven om de prestaties van MgH2 te verbeteren. . Deze doorbraak brengt magnesiumhydride niet alleen dichter bij de doelstellingen van de US-DOE, maar maakt ook de weg vrij voor bredere toepassingen in andere metaalhydriden.
Het onderzoeksteam is van plan de toepassing van het model uit te breiden tot andere materialen op basis van magnesium. De flexibiliteit van de variabelen van het model maakt snelle herkalibratie op verschillende metaalhydriden mogelijk, wat mogelijk de ontdekking van nieuwe composietmaterialen en innovatieve oplossingen voor waterstofopslag in vaste toestand vergemakkelijkt.
"Door ons model aan te passen aan verschillende metaalhydriden, kunnen we de verkenning en optimalisatie van waterstofopslagmaterialen versnellen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor schonere en efficiëntere energiesystemen", aldus Li.