Waterstof als koolstofvrije energiebron kan zich uitbreiden naar verschillende sectoren, inclusief industriële processen, warmte en transport te bouwen. Momenteel, het drijft een groeiend wagenpark van emissievrije voertuigen aan, inclusief treinen in Duitsland, bussen in Zuid-Korea, auto's in Californië en heftrucks wereldwijd. Deze voertuigen gebruiken een brandstofcel om waterstof- en zuurstofgassen te combineren, het produceren van elektriciteit die een motor aandrijft. Waterdamp is hun enige emissie.

Wil waterstof blijven groeien en van sector veranderen in de hele economie, nieuwe infrastructuur nodig. Waterstofaangedreven auto's slaan waterstofgas aan boord op met een druk die 700 keer hoger is dan de atmosferische druk om zo ver te rijden als conventionele benzinevoertuigen. Hoewel deze technologie de commercialisering van auto's op waterstof mogelijk heeft gemaakt, het kan niet voldoen aan de uitdagende doelstellingen voor energiedichtheid die zijn uiteengezet door het Amerikaanse ministerie van Energie.

Met de steun van DOE's Energy Efficiency and Renewable Energy Office's Fuel Cell Technologies Office, het Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), een multilab-samenwerking, ontwikkelt twee soorten waterstofopslagmaterialen om die federale doelstellingen te halen. In de eerste fase van zijn werk, de groep identificeerde strategieën en deed fundamenteel onderzoek om de opslagcapaciteit van metaal-organische raamwerken te vergroten en de opslagefficiëntie van metaalhydriden te verhogen.

Nutsvoorzieningen, de onlangs uitgebreide samenwerking maakt gebruik van de meest veelbelovende strategieën om de materialen te optimaliseren voor toekomstig gebruik in voertuigen, mogelijk met compactere opslagsystemen aan boord, verminderde bedrijfsdruk en aanzienlijke kostenbesparingen.

"Die voordelen zouden kunnen helpen om meer brandstofcelvoertuigen op de weg te krijgen door een rijervaring mogelijk te maken die vergelijkbaar is met die van conventionele voertuigen. " zei Mark Allendorf, een onderzoeker bij Sandia National Laboratories en mededirecteur van het HyMARC-consortium.

Het consortium onderzoekt nu manieren om waterstof omkeerbaar van moleculen te ontdoen. zoals ethanol. Deze moleculaire waterstofdragers zouden gemakkelijker naar tankstations kunnen worden getransporteerd dan waterstofgas, het verhogen van de efficiëntie van de brandstoftoevoer en het verlagen van de kosten van voertuigen op waterstof en andere toepassingen. Doorbraken in geavanceerde waterstofopslagmaterialen die uit HyMARC komen, zullen ook het H2@Scale-initiatief van DOE ondersteunen om betaalbare grootschalige waterstofproductie mogelijk te maken, opslag, transport en gebruik in meerdere sectoren.

Consortium gaat verder

sinds 2015 onderzoekers van Sandia, De nationale laboratoria Lawrence Berkeley en Lawrence Livermore hebben zich gericht op twee primaire soorten waterstofopslagmaterialen om te leren hoe hun vorm, structuur en chemische samenstelling van invloed op hun prestaties. Het HyMARC-consortium heeft onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium, SLAC National Accelerator Laboratory en het National Institute of Standards and Technology.

De uitgebreide groep ontving onlangs een tweede financieringsronde van het DOE Energy Efficiency and Renewable Energy Office om prestatieproblemen aan te pakken die voorkomen dat de meest veelbelovende materialen de federale doelstellingen voor waterstofopslag bereiken. Om dat te doen, de onderzoekers hebben de meest relevante uitdagingen geïdentificeerd die het tempo van de innovatie van waterstofopslagmateriaal vertragen. Vervolgens ontwikkelen ze tools om die uitdagingen aan te gaan, inclusief betrouwbare manieren om de materialen te maken, nieuwe computermodellen om materiaaleigenschappen te voorspellen die hun opslagprestaties beïnvloeden en nieuwe meetmethoden om rekening te houden met de hoge reactiviteit van sommige materialen met vocht en zuurstof. "HyMARC stelt deze tools beschikbaar aan andere laboratoria die ze toepassen op specifieke materialen, "Zei Allendorf. "We werken ook met hen samen om hun onderzoek te vergemakkelijken."

Temmen temperatuur

De eerste klasse van materialen die van belang zijn voor HyMARC worden sorptiemiddelen genoemd. Deze materialen hebben kleine poriën die werken als sponzen om waterstofgas op hun oppervlak te adsorberen en vast te houden. Deze poriën creëren een materiaal met een groot oppervlak, en dus opslagruimte. Eén gram materiaal kan evenveel oppervlakte hebben als een heel voetbalveld.

Dat leidt tot een onverwacht praktisch effect:poreuze materialen kunnen theoretisch meer waterstof bevatten dan een hogedrukbrandstoftank, zei Vitalie Stavila, een Sandia-chemicus. Maar omdat waterstofgas een zwakke wisselwerking heeft met de poriënwanden, veel van die opslagruimte wordt niet gebruikt. Deze materialen werken het beste bij cryogene temperaturen die te laag zijn voor praktisch gebruik.

De best presterende sorptiemiddelen zijn materialen die metaal-organische raamwerken worden genoemd, of MOF's. Bij deze materialen stijve linkers gemaakt van koolstofatomen verbinden individuele metaalionen zoals de staven in een jungle-gym in een speeltuin. Om de hoeveelheid waterstof opgeslagen in de materialen te vergroten, het consortium beveelt aan om waterstofgrijpende elementen zoals boor of stikstof toe te voegen aan de koolstoflinkers die de poriewanden vormen.

Teamleden hebben ook MOF's ontwikkeld waarin meer dan één waterstofmolecuul aan een metaalion in het raamwerk kan blijven plakken. Samen met een grotere opslagcapaciteit, deze materialen interageren sterker met waterstof. praktisch, hierdoor hecht het gas bij hogere temperaturen aan de poriënwanden.

Nanostructuren verhogen de opslagefficiëntie

De tweede klasse van veelbelovende waterstofopslagmaterialen zijn metaalhydriden, een materiaal dat Sandia-onderzoekers al tientallen jaren maken. Bij deze materialen metaalionen houden waterstof vast met chemische bindingen. Door deze bindingen te verbreken, kan waterstofgas vrijkomen voor gebruik in een brandstofcel.

Echter, deze materialen vormen sterke bindingen met waterstof, en er is energie nodig om opgeslagen gas vrij te maken. Door de grootte van hydridedeeltjes te verkleinen van macroscopische korrels tot nanoclusters die meer dan tienduizend keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar, wordt het materiaal veel reactiever, waardoor het bij lagere temperaturen waterstof kan afgeven. Stavila en zijn collega's gebruiken poreuze materialen, zoals een MOF of poreuze koolstof, als sjablonen om de clustergrootte te regelen en te voorkomen dat ze samenklonteren.

"We hebben tijdens de eerste fase van HyMARC geleerd dat het maken van nanogestructureerde metaalhydriden ons in staat stelt de sterkte van de bindingen die met waterstof worden gevormd af te stemmen en te veranderen hoe snel waterstof zich hecht aan en het oppervlak verlaat, "Zei Stavila. "Dit betekent dat er minder energie nodig is om het gas vrij te maken."

De onderzoekers testen de hydriden op nanoschaal op kenmerken, zoals opslagomkeerbaarheid en bruikbare opslagcapaciteit, die van belang zijn voor toekomstige toepassingen. "We bouwen vertrouwen op dat hydriden op nanoschaal praktische opslagmaterialen kunnen zijn, ' zei Stavila.

De groep gebruikt ook een computerwetenschappelijke techniek genaamd machine learning om snel de fysieke eigenschappen van deze opslagmaterialen te identificeren die correleren met de prestaties die nodig zijn om de federale doelen te bereiken. Hun aanpak stelt hen in staat te begrijpen hoe de computer zijn voorspellingen identificeerde. "We genereren wetenschappelijk inzicht om nieuwe intuïtie te creëren over hoe deze materialen zich gedragen, ' zei Allendorf.

"Het identificeren van waterstofopslagmaterialen die aan alle DOE-doelen kunnen voldoen, is een essentiële stap in de richting van de overgang naar een toekomstige waterstofeconomie, " hij zei.

Voor voertuigen op waterstof, het behalen van die doelen voor opslagmaterialen betekent dat dergelijke voertuigen driving ranges kunnen hebben, tanktijden en brandstofkosten vergelijkbaar met conventionele voertuigen.

"Hoewel de technische uitdagingen groot zijn, "Allendorf zei, "Het HyMARC-team is zeer gemotiveerd door het belang van zijn rol en door zijn recente ontdekkingen die de weg wijzen naar succesvolle materialen."