Soms, je moet klein gaan om groot te winnen. Dat is de aanpak van een multilab, interdisciplinair team nam het gebruik van nanodeeltjes en een nieuw nano-opsluitingssysteem ter hand om een ​​methode te ontwikkelen om de eigenschappen van waterstofopslag te veranderen. Deze ontdekking zou de creatie van waterstofopslagmaterialen met hoge capaciteit mogelijk kunnen maken die snel kunnen worden bijgetankt, het verbeteren van de prestaties van opkomende elektrische voertuigen met waterstofbrandstofcellen. Sandia Nationale Laboratoria, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), het National Institute of Standards and Technology en Mahidol University in Bangkok, Thailand, meegewerkt aan het onderzoek, die op 8 februari in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde materiaalinterfaces .

Versnelling van de opname en afgifte van waterstof

Voertuigen met waterstofbrandstofcellen worden aangedreven door een elektrochemische reactie tussen waterstof en zuurstof in een brandstofcel. Terwijl zuurstof wordt geleverd door lucht, de waterstof moet apart op het voertuig worden opgeslagen. Huidige brandstofcel elektrische voertuigen slaan waterstof op als een hogedrukgas.

Een vaste stof kan werken als een spons voor de opname en afgifte van waterstof, in chemische termen hydrogenering en dehydrogenering. Het gebruik van een dergelijk waterstofopslagmateriaal zou dus kunnen vergroten hoeveel waterstof kan worden opgeslagen. Het materiaal moet voldoende waterstof kunnen opslaan om het voertuig minimaal 300 mijl te laten rijden voordat het wordt getankt.

"Er zijn twee kritieke problemen met bestaande sponzen voor waterstofopslag, "Zei Sandia-chemicus Vitalie Stavila. "De meesten kunnen niet genoeg waterstof voor auto's opnemen. Ook, de sponzen geven en absorberen niet snel genoeg waterstof, vooral vergeleken met de 5 minuten die nodig zijn om te tanken."

Bij deze poging, Stavila legde uit, het interdisciplinaire team van wetenschappers werkte nauw samen aan de synthese, karakterisering en modellering om de eigenschappen van lithiumnitride te verbeteren, een veelbelovende waterstofopslagspons. Het team ontwikkelde ook een fundamenteel begrip van waarom nanosizing de waterstofopslageigenschappen van dit materiaal verbetert.

De ruimte beperken

Het idee kwam van Mahidol University afgestudeerde student Natchapol "Golf" Poonyayant, die Sandia benaderde met het idee om nano-opsluiting te gebruiken om waterstofopslagreacties in stikstofbevattende verbindingen te verbeteren. In samenwerking met de Sandia-onderzoekers, Poonyayant, zijn adviseur, Pasit Pakawatpanurut, en mede Mahidol-student Natee "Game" Angboonpong ontdekten dat vloeibare ammoniak kan worden gebruikt als een zacht en efficiënt oplosmiddel voor het introduceren van metalen en stikstof in de zakken van koolstofnanodeeltjes, het produceren van nano-opgesloten lithiumnitridedeeltjes.

Het nieuwe materiaal dat voortkwam uit het idee van Poonyayant vertoonde enkele ongebruikelijke en onverwachte eigenschappen. Eerst, de hoeveelheid lithiumnitride in de koolstofnanodeeltjesgastheer was vrij hoog voor een nano-ingesloten systeem, ongeveer 40 procent. Tweede, het nano-opgesloten lithiumnitride absorbeerde en gaf waterstof sneller af dan het bulkmateriaal. Verder, nadat het lithiumnitride was gehydrogeneerd, het maakte ook waterstof vrij in slechts één stap en veel sneller dan het bulksysteem dat twee stappen deed.

"Met andere woorden, de chemische routes voor zowel waterstofabsorptie als -afgifte in dit waterstofopslagmateriaal werden drastisch ten goede veranderd, " zei Sandia-chemicus Lennie Klebanoff.

De puzzel begrijpen

Om het mechanisme dat verantwoordelijk is voor deze verbetering beter te begrijpen, de Sandia-wetenschappers namen contact op met computerwetenschapper Brandon Wood van LLNL, een vooraanstaand expert in de theorie van vastestofreacties. Wood en zijn LLNL-collega's Tae Wook Heo, Jonathan Lee en Keith Ray ontdekten dat de reden voor het ongewone gedrag de energie was die werd geassocieerd met twee materiële interfaces.

Aangezien de lithiumnitride nanodeeltjes slechts 3 nanometer breed zijn, zelfs het kleinste energetisch ongunstige proces wordt vermeden in de waterstofopslageigenschappen. Voor lithiumnitride-nanodeeltjes die hydrogeneringsreacties ondergaan, het vermijden van ongunstige tussenproducten - extra stappen in het chemische proces - verhoogt de efficiëntie.

De weg van de minste weerstand nemen, het materiaal ondergaat een eenstaps pad naar volledige hydrogenering. evenzo, eenmaal gehydrogeneerd, de nanodeeltjes geven waterstof af via de laagste beschikbare energieroute, wat in dit geval directe waterstofafgifte is naar lithiumnitride.

"Op deze manier, de nano-interfaces sturen de waterstofopslageigenschappen aan wanneer de materialen erg klein worden gemaakt, bijvoorbeeld met nano-opsluiting, "zei Wood. "De doelgerichte controle van nano-interfaces biedt een nieuwe manier om de reactiechemie van waterstofopslag te optimaliseren."

De volgende stap

Volgens de Sandia- en LLNL-onderzoekers de volgende stap is om verder te begrijpen hoe de gedehydrogeneerde en gehydrogeneerde fasen van lithiumnitride op nanoschaal veranderen. Dit is een stevige uitdaging voor het team, omdat het verschillende chemische fasen in beeld moet brengen in een deeltje dat slechts enkele nanometers breed is.

Het team zal gebruikmaken van de mogelijkheden binnen het Hydrogen Storage Materials Advanced Research Consortium (HyMARC) van het DOE, geleid door Sandia en bestond bovendien uit wetenschappers van LLNL en Lawrence Berkeley National Laboratory. Het team is van plan om ruimtelijk opgeloste synchrotronstraling van LBNL's geavanceerde lichtbron te gebruiken om de chemie en structuur van de interface te onderzoeken.

In aanvulling, aangezien de nanoporeuze koolstofgastheer "dood gewicht" is vanuit het perspectief van waterstofopslag, het team onderzoekt manieren om "de last te verlichten" en koolstofmaterialen te vinden met meer nanopockets voor een bepaalde koolstofmassa.

"We zijn verheugd met deze technische vooruitgang en verheugd om het werk dat voor ons ligt op ons te nemen, "zei Klebanoff. "Maar het is bitterzoet. Golf, die dit werk inspireerde en veel van de syntheses uitvoerde, stierf tragisch op 25-jarige leeftijd tijdens het schrijven van dit artikel. De wereld heeft een getalenteerde jonge man verloren en we hebben een dierbare vriend verloren die we missen. Dit werk en het gepubliceerde verslag zijn opgedragen aan Golf en zijn familie."