Wetenschappers van het Rensselaer Polytechnic Institute werken aan het optimaliseren van een veelbelovend nieuw nanomateriaal, nanoblades genaamd, voor gebruik in waterstofopslag. Tijdens het testen van het nieuwe materiaal, ze hebben ontdekt dat het waterstof extreem snel en bij lage temperaturen kan opslaan en afgeven in vergelijking met vergelijkbare materialen. Een ander belangrijk aspect van het nieuwe materiaal is dat het ook oplaadbaar is. Deze eigenschappen zouden het ideaal kunnen maken voor gebruik in waterstofopslag aan boord voor waterstof- of brandstofcelvoertuigen van de volgende generatie.

De bevindingen over de prestaties van de nanoblades zijn gepubliceerd in de editie van september 2011 van: Het International Journal of Hydrogen Energy in een artikel met de titel "Low-temperature cycling of hydrogenation-dehydrogenation of Pd-decorated Mg nanoblades." Het onderzoek wordt gesponsord door de National Science Foundation.

De wetenschappers creëerden de op magnesium gebaseerde nanobladen voor het eerst in 2007. In tegenstelling tot driedimensionale nanoveren en staven, nanoblades zijn asymmetrisch. Ze zijn extreem dun in één dimensie en breed in een andere dimensie, het creëren van zeer grote oppervlakten. Ze zijn ook uitgespreid met maximaal één micron tussen elk mes.

Om waterstof op te slaan, een groot oppervlak met ruimte tussen nanostructuren is nodig om het materiaal ruimte te geven om uit te zetten naarmate er meer waterstofatomen worden opgeslagen. Het enorme oppervlak en het ultradunne profiel van elk nanoblad, in combinatie met de ruimten tussen elk blad, zou ze ideaal kunnen maken voor deze toepassing, volgens Gwo-Ching Wang, hoogleraar natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie bij Rensselaer.

Om de nanobladen te maken, de onderzoekers gebruiken schuine hoek dampdepositie. Deze fabricagetechniek bouwt nanostructuren door een materiaal - in dit geval magnesium - te verdampen en de verdampte atomen onder een schuine hoek op een oppervlak te laten neerslaan. Het afgewerkte materiaal wordt vervolgens versierd met een metalen katalysator om waterstof op te vangen en op te slaan. Voor dit onderzoek is de nanobladen waren gecoat met palladium.

In hun meest recente artikel, de onderzoekers rapporteren over hun tests van de prestaties van de nanoblades. Begrijpen hoe het materiaal in de loop van de tijd op waterstof reageert, is essentieel om het materiaal te verbeteren voor toekomstig gebruik in waterstofvoertuigen. volgens postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het nieuwe artikel Yu Liu.

“De eisen van het ministerie van Energie zijn zeer uitdagend voor bestaande waterstofopslagtechnologie, vooral als het gaat om nieuwe energieopslagmaterialen voor waterstofopslag aan boord, ' zei Liu. “Alle nieuwe materialen moeten bij lage temperaturen werken, waterstof snel desorberen, kostenefficiënt zijn, en recyclebaar zijn.”

Hun werk met nanoblades is al veelbelovend op al deze gebieden, volgens Wang en Liu.

Wat ze ontdekten, is dat de nanobladen waterstof begonnen af ​​te geven bij 340 graden K (ongeveer 67 graden Celsius). Toen de temperatuur iets werd verhoogd tot 373 K (100 graden C), de waterstof die in de nanobladen was opgeslagen, kwam in slechts 20 minuten vrij. Veel andere materialen hebben meer dan het dubbele van die temperatuur nodig om met die snelheid te werken, volgens Liu.

Ze ontdekten ook dat de nanobladen recyclebaar zijn. Dit betekent dat ze kunnen worden opgeladen na het vrijkomen van waterstof en steeds opnieuw kunnen worden gebruikt. Een dergelijke herbruikbaarheid is essentieel voor praktische toepassingen.

Met behulp van een techniek genaamd reflectie-hoge-energetische elektronendiffractie (RHEED) en temperatuur geprogrammeerde desorptie (TPD) - die zijn uitgerust op een geïntegreerd ultrahoog vacuümsysteem met een combinatie van een hogedrukreactiecel en een dunnefilmdepositiekamer - vonden ze dat de huidige nanobladen meer dan 10 cycli van waterstofabsorptie en -afgifte kunnen doorlopen.

De RHEED-techniek is anders dan andere processen, zoals röntgendiffractie, omdat het de nabije oppervlaktestructuur bewaakt, fase, en korrelgrootte van het materiaal als het verandert. Het volgen van de oppervlakte-evolutie van het materiaal geeft inzicht in hoe de structuur in de loop van de tijd evolueert.

RHEED gebruiken, ze ontdekten dat na verloop van tijd de katalysator vergiftigd raakt en het magnesium reageert met zuurstof. Dit veroorzaakt oxidatie, die uiteindelijk het materiaal degradeert, wat zowel morfologische als chemische veranderingen in het materiaal veroorzaakt.

Ze zullen nu werken aan het optimaliseren van het materiaal met verschillende katalysatoren en beschermende polymeercoatings om de prestaties te verbeteren en het aantal cycli te vergroten dat het materiaal kan doorlopen zonder degradatie.

“De volgende stappen zijn het verbeteren van de recycleerbaarheid, ’ zei Wang. “We hebben de oorzaak van de degradatie van het materiaal gevonden; nu kunnen we beginnen met het verbeteren van het materiaal.”