Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element op aarde en in ons universum. Het zou dus geen grote verrassing moeten zijn dat wetenschappers waterstof nastreven als een schone, koolstofvrij, vrijwel onbeperkte energiebron voor auto's en voor tal van andere toepassingen, van draagbare generatoren tot telecommunicatietorens - met water als het enige bijproduct van verbranding.

Hoewel er wetenschappelijke uitdagingen blijven bestaan ​​om op waterstof gebaseerde energiebronnen concurrerender te maken met de huidige aandrijfsystemen voor auto's en andere energietechnologieën, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een nieuw materiaalrecept ontwikkeld voor een batterijachtige waterstofbrandstofcel - die waterstofabsorberende magnesiumnanokristallen omringt met atomair dunne grafeenvellen - om de prestaties ervan in belangrijke mate te verbeteren gebieden.

Het grafeen beschermt de nanokristallen tegen zuurstof en vocht en verontreinigingen, terwijl klein, natuurlijke gaten laten de kleinere waterstofmoleculen door. Dit filterproces overwint veelvoorkomende problemen die de prestatie van metaalhydriden voor waterstofopslag verminderen.

Deze in grafeen ingekapselde magnesiumkristallen werken als "sponzen" voor waterstof, een zeer compacte en veilige manier om waterstof op te nemen en op te slaan. De nanokristallen maken ook een snellere brandstoftoevoer mogelijk, en verklein de totale "tank" -grootte.

"Onder op metaalhydride gebaseerde materialen voor waterstofopslag voor toepassingen in brandstofcelvoertuigen, onze materialen hebben goede prestaties in termen van capaciteit, omkeerbaarheid, kinetiek en stabiliteit, " zei Eun Seon Cho, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab en hoofdauteur van een studie met betrekking tot de nieuwe brandstofcelformule, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In een door waterstof aangedreven voertuig dat deze materialen gebruikt, bekend als een "metaalhydride" (waterstof gebonden met een metaal) brandstofcel, waterstofgas dat in een voertuig wordt gepompt, zou chemisch worden geabsorbeerd door het magnesium nanokristallijne poeder en veilig worden gemaakt bij lage druk.

Jef Stedelijk, een stafwetenschapper en co-auteur van Berkeley Lab, zei, "Dit werk suggereert de mogelijkheid van praktische waterstofopslag en -gebruik in de toekomst. Ik geloof dat deze materialen een algemeen toepasbare benadering vertegenwoordigen voor het stabiliseren van reactieve materialen, terwijl ze nog steeds gebruikmaken van hun unieke activiteitsconcepten die brede toepassingen voor batterijen zouden kunnen hebben, katalyse, en energetische materialen."

Het onderzoek, uitgevoerd bij Berkeley Lab's Molecular Foundry and Advanced Light Source, maakt deel uit van een National Lab Consortium, genaamd HyMARC (Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium) dat streeft naar veiligere en meer kosteneffectieve waterstofopslag, en Urban is de hoofdwetenschapper van Berkeley Lab voor die inspanning.

Het Amerikaanse marktaandeel voor alle elektrisch aangedreven voertuigen in 2015, inclusief volledig elektrisch, hybrides en plug-in hybride voertuigen, bedroeg 2,87 procent, wat neerkomt op ongeveer 500, 000 elektrisch aangedreven voertuigen op een totale verkoop van ongeveer 17,4 miljoen voertuigen, volgens statistieken gerapporteerd door de Electric Drive Transportation Association, een brancheorganisatie die elektrisch aangedreven voertuigen promoot.

Voertuigen met waterstof-brandstofcellen hebben nog geen grote intrede gedaan in de verkoop van voertuigen, hoewel verschillende grote autofabrikanten, waaronder Toyota, Honda, en General Motors, hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling van brandstofcelvoertuigen op waterstof. Inderdaad, Toyota bracht een klein productiemodel uit, de Mirai, die tanks met gecomprimeerde waterstof gebruikt, vorig jaar in de V.S.

Een potentieel voordeel voor waterstof-brandstofcelvoertuigen, naast hun verminderde milieu-impact ten opzichte van voertuigen op standaardbrandstof, is de hoge specifieke energie van waterstof, wat betekent dat waterstof-brandstofcellen mogelijk minder gewicht kunnen opnemen dan andere batterijsystemen en brandstofbronnen, terwijl ze meer elektrische energie opleveren.

Een maat voor de energieopslagcapaciteit per gewicht van waterstofbrandstofcellen, bekend als de "gravimetrische energiedichtheid, " is ongeveer drie keer zoveel als benzine. Urban merkte op dat deze belangrijke eigenschap, indien effectief gebruikt, het totale voertuigaanbod van op waterstof gebaseerd transport zou kunnen uitbreiden, en de tijd tussen het tanken verlengen voor vele andere toepassingen, te.

Er is meer R&D nodig om waterstofopslag met een hogere capaciteit te realiseren voor voertuigtoepassingen met een groot bereik die de prestaties van bestaande batterijen voor elektrische voertuigen overtreffen, Cho zei, en andere toepassingen zijn op korte termijn wellicht beter geschikt voor waterstofbrandstofcellen, zoals stationaire stroombronnen, heftrucks en luchthavenvoertuigen, draagbare stroombronnen zoals opladers voor laptopbatterijen, draagbare verlichting, water- en rioolpompen en uitrusting voor hulpdiensten.

Cho zei dat een wegversperring voor de opslag van metaalhydride een relatief langzame snelheid is geweest bij het opnemen (absorptie) en het afgeven (desorptie) van waterstof tijdens het fietsen van de eenheden. Bij brandstofcellen, afzonderlijke chemische reacties met waterstof en zuurstof produceren een stroom van elektronen die als elektrische stroom worden gekanaliseerd, het creëren van water als bijproduct.

Het kleine formaat van de in grafeen ingekapselde nanokristallen gemaakt in Berkeley Lab, die slechts ongeveer 3-4 nanometer meten, of miljardsten van een meter breed, is een sleutel in de snelle opname en afgifte van waterstof door de nieuwe brandstofcelmaterialen, Cho zei, omdat ze meer oppervlakte beschikbaar hebben voor reacties dan hetzelfde materiaal zou hebben bij grotere afmetingen.

Een andere sleutel is het beschermen van het magnesium tegen blootstelling aan lucht, waardoor het onbruikbaar zou worden voor de brandstofcel, voegde ze eraan toe.

Werken bij The Molecular Foundry, onderzoekers vonden een eenvoudige, schaalbare en kosteneffectieve "one pan"-techniek om de grafeenvellen en magnesiumoxide-nanokristallen in dezelfde batch te mengen. Later bestudeerden ze de structuur van de gecoate nanokristallen met behulp van röntgenstralen in de Advanced Light Source van Berkeley Lab. De röntgenonderzoeken toonden aan hoe waterstofgas dat in het brandstofcelmengsel werd gepompt, reageerde met de magnesium-nanokristallen om een ​​stabieler molecuul te vormen, magnesiumhydride genaamd, terwijl het ervoor zorgde dat zuurstof het magnesium niet kon bereiken.

"Het is stabiel in de lucht, wat belangrijk is, ' zei Cho.

De volgende stappen in het onderzoek zullen gericht zijn op het gebruik van verschillende soorten katalysatoren - die de snelheid en efficiëntie van chemische reacties kunnen verbeteren - om de omzetting van elektrische stroom door de brandstofcel verder te verbeteren, en bij het onderzoeken of verschillende soorten materiaal ook de totale capaciteit van de brandstofcel kunnen verbeteren, zei Cho.