Lagen grafeen gescheiden door nanobuispilaren van boornitride kunnen een geschikt materiaal zijn om waterstofbrandstof in auto's op te slaan, volgens wetenschappers van Rice University.

Het ministerie van Energie heeft benchmarks vastgesteld voor opslagmaterialen die waterstof tot een praktische brandstof voor lichte voertuigen zouden maken. Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari bepaalde in een nieuwe computationele studie dat pilaren boornitride en grafeen een kandidaat zouden kunnen zijn.

De studie van Shahsavari en Farzaneh Shayeganfar verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Langmuir .

Shahsavari's lab had al door middel van computermodellen bepaald hoe sterk en veerkrachtig grafeenstructuren met pilaren zouden zijn, en verwerkte later boornitride-nanobuizen in de mix om een ​​unieke driedimensionale architectuur te modelleren. (Er zijn monsters gemaakt van boornitride-nanobuisjes die naadloos zijn verbonden met grafeen.)

Net zoals pilaren in een gebouw ruimte maken tussen verdiepingen voor mensen, pilaren in boornitride grafeen maken plaats voor waterstofatomen. De uitdaging is om ervoor te zorgen dat ze in voldoende aantallen binnenkomen en blijven en op verzoek vertrekken.

In hun nieuwste moleculaire dynamica-simulaties, de onderzoekers ontdekten dat grafeen met pilaren of grafeen met pilaren een overvloedig oppervlak zou bieden (ongeveer 2, 547 vierkante meter per gram) met goede recyclebare eigenschappen onder omgevingsomstandigheden. Hun modellen toonden aan dat het toevoegen van zuurstof of lithium aan de materialen hen nog beter zou maken in het binden van waterstof.

Ze richtten de simulaties op vier varianten:zuilvormige structuren van boornitride of zuilvormige boornitride grafeen gedoteerd met zuurstof of lithium. Bij kamertemperatuur en bij omgevingsdruk, met zuurstof gedoteerd boornitride grafeen bleek het beste, met 11,6 procent van zijn gewicht in waterstof (de gravimetrische capaciteit) en ongeveer 60 gram per liter (de volumetrische capaciteit); het versloeg gemakkelijk concurrerende technologieën zoals poreus boornitride, metaaloxideframes en koolstofnanobuizen.

Bij een kille -321 graden Fahrenheit, het materiaal hield 14,77 procent van zijn gewicht in waterstof.

De huidige doelstelling van het Department of Energy voor economische opslagmedia is de mogelijkheid om onder gematigde omstandigheden meer dan 5,5 procent van het gewicht en 40 gram per liter in waterstof op te slaan. De uiteindelijke doelen zijn 7,5 gewichtsprocent en 70 gram per liter.

Shahsavari zei dat waterstofatomen geadsorbeerd zijn aan het ongedoteerde pilaren boornitride grafeen, dankzij zwakke van der Waals-troepen. Toen het materiaal werd gedoteerd met zuurstof, de atomen hechtten zich sterk aan de hybride en creëerden een beter oppervlak voor binnenkomend waterstof, waarvan Shahsavari zei dat het waarschijnlijk onder druk zou worden afgeleverd en zou verdwijnen wanneer de druk wordt opgeheven.

"Het toevoegen van zuurstof aan het substraat geeft ons een goede hechting vanwege de aard van de ladingen en hun interacties, " zei hij. "Zuurstof en waterstof staan ​​bekend om hun goede chemische affiniteit."

Hij zei dat de gepolariseerde aard van het boornitride waar het zich bindt met het grafeen en de elektronenmobiliteit van het grafeen zelf het materiaal zeer afstembaar maken voor toepassingen.

"Wat we zoeken is de goede plek, " zei Shahsavari, het beschrijven van de ideale omstandigheden als een balans tussen het oppervlak en het gewicht van het materiaal, evenals de bedrijfstemperaturen en drukken. "Dit is alleen praktisch door computationele modellering, omdat we heel snel veel variaties kunnen testen. Experimenten zouden maanden nodig hebben om te doen wat ons slechts enkele dagen kost."

Hij zei dat de constructies robuust genoeg moeten zijn om gemakkelijk de eis van het ministerie van Energie te overtreffen dat een waterstoftank bestand is tegen 1, 500 laad-ontlaadcycli.