Sinds de jaren zeventig, waterstof is aangeprezen als een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen vanwege de schone verbranding - in tegenstelling tot op koolwaterstof gebaseerde brandstoffen, die broeikasgassen en schadelijke verontreinigende stoffen uitspuwen, Het enige verbrandingsbijproduct van waterstof is water. Vergeleken met benzine, waterstof is lichtgewicht, kan een hogere energiedichtheid bieden en is direct beschikbaar. Maar er is een reden waarom we niet al in een waterstofeconomie leven:om benzine als brandstof te vervangen, waterstof moet veilig en dicht worden opgeslagen, maar toch gemakkelijk toegankelijk. Beperkt door materialen die niet in staat zijn deze tegenstrijdige hindernissen te nemen, waterstofopslagtechnologie is achtergebleven bij andere kandidaten voor schone energie.

In recente jaren, onderzoekers hebben geprobeerd beide problemen aan te pakken door waterstof op te sluiten in vaste stoffen, het verpakken van grotere hoeveelheden in kleinere volumes met een lage reactiviteit - een noodzaak om dit vluchtige gas stabiel te houden. Echter, de meeste van deze vaste stoffen kunnen slechts een kleine hoeveelheid waterstof opnemen en hebben extreme verwarming of koeling nodig om hun algehele energie-efficiëntie te verhogen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een nieuw composietmateriaal ontworpen voor waterstofopslag, bestaande uit nanodeeltjes van magnesiummetaal die door een matrix van polymethylmethacrylaat zijn gesprenkeld, een polymeer verwant aan plexiglas. Dit buigzame nanocomposiet absorbeert en geeft waterstof snel af bij bescheiden temperaturen zonder het metaal te oxideren na het fietsen - een belangrijke doorbraak in materiaalontwerp voor waterstofopslag, batterijen en brandstofcellen.

"Dit werk toont ons vermogen om composietmaterialen op nanoschaal te ontwerpen die fundamentele thermodynamische en kinetische barrières overwinnen om een ​​materiaalcombinatie te realiseren die historisch zeer ongrijpbaar is geweest, " zegt Jeff Urban, Adjunct-directeur van de Inorganic Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry, een DOE Office of Science nanowetenschapscentrum en een nationale gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab. "Bovendien, we zijn in staat om productief gebruik te maken van de unieke eigenschappen van zowel het polymeer als het nanodeeltje in dit nieuwe composietmateriaal, die een brede toepasbaarheid kunnen hebben op gerelateerde problemen op andere gebieden van energieonderzoek."

Stedelijk, samen met co-auteurs Ki-Joon Jeon en Christian Kisielowski de TEAM 0.5-microscoop gebruikt in het National Center for Electron Microscopy (NCEM), een andere nationale gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, gehuisvest in Berkeley Lab, om individuele magnesium nanokristallen te observeren die door het polymeer zijn verspreid. Met de beeldvormingsmogelijkheden met hoge resolutie van TEAM 0.5, 's werelds krachtigste elektronenmicroscoop, de onderzoekers waren ook in staat om defecten op te sporen - atomaire vacatures in een anders geordend kristallijn raamwerk - wat een ongekend inzicht verschafte in het gedrag van waterstof binnen deze nieuwe klasse van opslagmaterialen.

"Het ontdekken van nieuwe materialen die ons kunnen helpen bij het vinden van een duurzamere energieoplossing, vormt de kern van de missie van het Department of Energy. Ons laboratorium biedt uitstekende experimenten om deze missie met groot succes te ondersteunen, " zegt Kisielowski. "We hebben de aanwezigheid van waterstof in dit materiaal bevestigd door tijdsafhankelijke spectroscopische onderzoeken met de TEAM 0.5-microscoop. Dit onderzoek suggereert dat zelfs directe beeldvorming van waterstofkolommen in dergelijke materialen kan worden geprobeerd met behulp van de TEAM-microscoop."

"Het unieke karakter van Berkeley Lab moedigt samenwerkingen tussen divisies aan zonder enige beperking, " zei Jeon, nu bij het Ulsan National Institute of Science and Technology, wiens postdoctoraal werk bij Urban leidde tot deze publicatie.

Om de opname en afgifte van waterstof in hun nanocomposietmateriaal te onderzoeken, het team wendde zich tot Berkeley Lab's Energy and Environmental Technologies Division (EETD), wiens onderzoek gericht is op het ontwikkelen van milieuvriendelijkere technologieën voor het opwekken en opslaan van energie, inclusief waterstofopslag.

"Hier bij EETD, we hebben nauw samengewerkt met de industrie om een ​​waterstofopslagfaciliteit te onderhouden en om testprotocollen voor waterstofopslag te ontwikkelen, " zegt Samuël Mao, directeur van het Clean Energy Laboratory van Berkeley Lab en een adjunct-faculteitslid engineering aan de University of California (UC), Berkeley. "We genieten erg van deze samenwerking met Jeff en zijn team in de Materials Sciences Division, waar ze dit nieuwe materiaal ontwikkelden en synthetiseerden, en konden vervolgens onze faciliteit gebruiken voor hun onderzoek naar waterstofopslag."

Voegt stedelijk, "Deze ambitieuze wetenschap is uniek goed gepositioneerd om te worden nagestreefd binnen het sterke collaboratieve ethos hier bij Berkeley Lab. De successen die we behalen, zijn in grote mate afhankelijk van nauwe banden tussen geavanceerde microscopie bij NCEM, tools en expertise van EETD, en de karakterisering en materiaalkennis van MSD."