(Phys.org)—Waterstof is de ideale brandstof voor nieuwe typen brandstofcelvoertuigen, maar een probleem is hoe waterstof op te slaan. In zijn proefschrift bestudeert Serhiy Luzan nieuwe soorten materialen voor waterstofopslag. Hij laat ook zien dat nieuwe materialen met interessante eigenschappen kunnen worden gesynthetiseerd door de reactie van waterstof met koolstof nanogestructureerde materialen.

Nieuwe automotoren die op waterstof lopen, produceren alleen water als uitlaatgassen en zijn drie tot vier keer efficiënter dan gewone verbrandingsmotoren. Slechts één "klein" probleem belemmert de ontwikkeling van voertuigen op waterstof:er is geen goede methode om voldoende hoeveelheden waterstof op te slaan, omdat het een gas met een zeer lage dichtheid is.

Serhiy Luzan wijdt het eerste deel van zijn proefschrift aan studies van waterstofopslag in opwindende nieuwe soorten materialen:metaal-organische raamwerken (MOF's). Ze bestaan ​​uit op zink en kobalt gebaseerde metaalclusters die met elkaar zijn verbonden via organische linkers, en ze zijn extreem poreus. Eén gram MOF heeft een waterstofabsorberend oppervlak dat groter is dan een voetbalveld! Elk jaar worden tientallen nieuwe MOF-materialen gesynthetiseerd, wat veelbelovend is voor de volgende generatie waterstofopslagmaterialen.

Serhiy bestudeerde de waterstofopname van verschillende nieuwe MOF's en onderzocht de effecten van verschillende oppervlakten, poriënvolumes, en porievormen op de waterstofopslagparameters. MOF's kunnen recordhoeveelheden waterstof opslaan bij zeer lage temperaturen, maar de waterstofcapaciteit bij kamertemperatuur is niet goed genoeg. Luzan bestudeerde daarom nieuwe methoden om dit vermogen te vergroten. Van toevoeging van metaalkatalysatoren is eerder gemeld dat het de waterstofopslag aanzienlijk verbetert.

"Maar in mijn studeerkamer het effect van toevoeging van metaalkatalysatoren op waterstofabsorptie in MOF's werd niet bevestigd, ' zegt Serhihy Luzan.

Waterstof is niet alleen van belang als brandstof, maar ook voor chemische modificatie van nanogestructureerde koolstofmaterialen, zoals koolstof nanobuisjes, fullerenen, en grafeen. Grafeen is een enkele laag koolstofatomen. Koolstofnanobuisjes bestaan ​​ook uit pure koolstof, in de vorm van grafeenlagen opgerold tot een cilinder. Fullereen, C60, bestaat uit zestig koolstofatomen gerangschikt in figuren met vijf of zes hoekpunten, net als het patroon op een voetbal. Er zijn koolstofmaterialen die sterker zijn dan staal, geleiden stroom beter dan koper, en diffuse warmte beter dan diamant.

In het tweede deel van het proefschrift beschrijft Luzan de materialen die hij creëerde door de reactie van waterstof met fullerenen en koolstofnanobuisjes.

Luzan bestudeerde de reactie tussen fullereen C60 en waterstof bij verhoogde temperaturen en waterstofdrukken, met en zonder toevoeging van metaalkatalysatoren. De reactie resulteerde in de vorming van gehydrogeneerde fullerenen, C60Hx. Na uitgebreide waterstofbehandeling, de fullereenstructuur viel uiteen en stortte in. Deze uitkomst laat zien dat het mogelijk is om fullerenen stapsgewijs af te breken in kleinere komvormige moleculen, die worden gestabiliseerd door waterstofatomen. Dit is een structuur die voorheen moeilijk te realiseren was.

"Met deze methode we zouden fullerenen moeten kunnen gebruiken als een relatief goedkoop bronmateriaal voor het maken van nieuwe moleculen die hopelijk interessante eigenschappen van het oorspronkelijke koolstofnanomateriaal behouden, ' zegt Serhihy Luzan.

Gehydrogeneerd grafeen (grafaan) zal naar verwachting een ideaal materiaal zijn voor nieuwe op koolstof gebaseerde elektronica, maar grafaan is moeilijk te synthetiseren door een directe reactie tussen grafeen en waterstof. Het is veel gemakkelijker om koolstof nanobuisjes eerst te hydrogeneren en ze vervolgens langs de buisas in zogenaamde nanoribbons te snijden, die waterstof covalent aan het oppervlak hebben gebonden.

De experimenten van Luzan toonden aan dat de reactie tussen enkelwandige koolstofnanobuizen en waterstof mogelijk is als een geschikte katalysator wordt gebruikt, en hij was in staat om waar te nemen dat sommige van de nanobuisjes werden omgezet in grafeen of grafaan nanoribbons.