Het is gemakkelijk om optimistisch te zijn over waterstof als ideale brandstof. Het is veel moeilijker om een ​​oplossing te bedenken voor een absoluut fundamenteel probleem:hoe kunnen we deze brandstof efficiënt opslaan? Een Zwitsers-Pools team van experimentele en theoretische natuurkundigen heeft het antwoord gevonden op de vraag waarom eerdere pogingen om het veelbelovende magnesiumhydride voor dit doel te gebruiken onbevredigend zijn gebleken, en waarom ze in de toekomst mogelijk wel slagen.

Waterstof wordt al lang gezien als de energiedrager van de toekomst. Voordat het echter realiteit wordt in de energiesector, moeten er efficiënte methoden voor de opslag ervan worden ontwikkeld. Materialen – zo geselecteerd dat waterstof er tegen lage energiekosten eerst in kan worden geïnjecteerd en vervolgens op verzoek kan worden teruggewonnen, bij voorkeur onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van onze dagelijkse omgeving – lijken de optimale oplossing.

Een veelbelovende kandidaat voor waterstofopslag blijkt magnesium te zijn. Om het om te zetten in magnesiumhydride is echter een voldoende efficiënte katalysator nodig, die nog niet is gevonden.

Het werk van een team van wetenschappers van Empa – de Zwitserse Federale Laboratoria voor Materiaalwetenschappen en Technologie in Dübendorf, en de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Zürich, evenals het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau heeft aangetoond dat de reden voor de vele jaren van mislukking tot nu toe ligt in een onvolledig begrip van de verschijnselen die optreden in magnesium tijdens waterstofinjectie.

Het belangrijkste obstakel voor de acceptatie van waterstof als energiebron is de moeilijkheid om het op te slaan. In nog steeds zeldzame auto's op waterstof wordt het gecomprimeerd opgeslagen onder een druk van ongeveer 700 atmosfeer. Dit is noch de goedkoopste noch de veiligste methode en heeft weinig met efficiëntie te maken:er zit slechts 45 kg waterstof in één kubieke meter. Hetzelfde volume kan 70 kg waterstof bevatten, als het vooraf wordt gecondenseerd.

Helaas vergt het vloeibaarmakingsproces grote hoeveelheden energie, en de extreem lage temperatuur, rond de 20 Kelvin, moet dan tijdens de opslag gehandhaafd blijven. Een alternatief kunnen geschikte materialen zijn; bijvoorbeeld magnesiumhydride, dat tot 106 kg waterstof in een kubieke meter kan bevatten.

Magnesiumhydride is een van de eenvoudigste materialen die zijn getest op waterstofopslagcapaciteit. Het gehalte kan 7,6% (op gewichtsbasis) bereiken. Magnesiumhydride apparaten zijn daardoor behoorlijk zwaar en dus vooral geschikt voor stationaire toepassingen. Het is echter belangrijk op te merken dat magnesiumhydride een zeer veilige stof is en zonder risico kan worden opgeslagen; bijvoorbeeld in een kelder, en magnesium zelf is een gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop metaal.

“Onderzoek naar de integratie van waterstof in magnesium is al tientallen jaren aan de gang, maar heeft nog niet geresulteerd in oplossingen die op breder gebruik kunnen rekenen”, zegt prof. Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), een theoretisch natuurkundige die co-auteur is van een artikel in Advanced Science, waar de nieuwste ontdekking wordt gepresenteerd.

‘Eén bron van problemen is waterstof zelf. Dit element kan effectief de kristalstructuur van magnesium binnendringen, maar alleen als het aanwezig is in de vorm van afzonderlijke atomen. Om het uit typisch moleculair waterstof te verkrijgen, is een katalysator efficiënt genoeg om het proces van waterstofmigratie in het materiaal is snel en energetisch haalbaar vereist. Iedereen heeft dus gezocht naar een katalysator die aan bovenstaande voorwaarden voldoet, helaas zonder veel succes. Vandaag weten we eindelijk waarom deze pogingen gedoemd waren te mislukken."

Prof. Lodziana heeft een nieuw model ontwikkeld van de thermodynamische en elektronenprocessen die plaatsvinden in magnesium in contact met waterstofatomen. Het model voorspelt dat tijdens de migratie van waterstofatomen lokale, thermodynamisch stabiele magnesiumhydrideclusters in het materiaal worden gevormd. Op de grenzen tussen het metallische magnesium en zijn hydride treden dan veranderingen op in de elektronische structuur van het materiaal, en het zijn deze die een belangrijke rol spelen bij het verminderen van de mobiliteit van waterstofionen.

Met andere woorden:de kinetiek van de vorming van magnesiumhydride wordt voornamelijk bepaald door verschijnselen op het grensvlak met magnesium. Met dit effect was tot nu toe geen rekening gehouden bij de zoektocht naar efficiënte katalysatoren.

Het theoretische werk van prof. Lodziana vormt een aanvulling op experimenten die zijn uitgevoerd in het Zwitserse laboratorium in Dübendorf. Hier werd de migratie van atomair waterstof in een laag puur magnesium gesputterd op palladium bestudeerd in een ultrahoogvacuümkamer. Het meetapparaat was in staat veranderingen in de toestand van verschillende buitenste atoomlagen van het onderzochte monster vast te leggen, veroorzaakt door de vorming van een nieuwe chemische verbinding en de daarmee samenhangende transformaties van de elektronische structuur van het materiaal. Het model voorgesteld door de onderzoekers van de IFJ PAN stelt ons in staat de experimentele resultaten volledig te begrijpen.

De prestaties van de Zwitsers-Poolse groep natuurkundigen maken niet alleen de weg vrij voor een nieuwe zoektocht naar een optimale katalysator voor magnesiumhydride, maar verklaren ook waarom sommige van de eerder gevonden katalysatoren een hogere efficiëntie vertoonden dan verwacht.

"Er is veel dat erop wijst dat het gebrek aan significante vooruitgang bij de opslag van waterstof in magnesium en zijn verbindingen eenvoudigweg te wijten was aan ons onvolledige begrip van de processen die betrokken zijn bij het waterstoftransport in deze materialen. Decennia lang zijn we allemaal op zoek geweest naar betere katalysatoren, alleen niet waar we naar moeten kijken. Nu maken nieuwe theoretische en experimentele resultaten het mogelijk om opnieuw met optimisme na te denken over verdere verbeteringen in de methoden om waterstof in magnesium te introduceren", besluit prof. Lodziana.

Meer informatie: Selim Kazaz et al., Waarom waterstofdissociatiekatalysatoren niet werken voor de hydrogenering van magnesium, Geavanceerde wetenschap (2023). DOI:10.1002/advs.202304603

Journaalinformatie: Geavanceerde wetenschap

Aangeboden door de Poolse Academie van Wetenschappen