Een poederachtige mix van metalen nanokristallen verpakt in enkellaagse vellen koolstofatomen, ontwikkeld aan het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), veelbelovend voor het veilig opslaan van waterstof voor gebruik met brandstofcellen voor personenauto's en andere toepassingen. En nu, een nieuwe studie geeft inzicht in de atomaire details van de ultradunne coating van de kristallen en hoe het dient als selectieve afscherming terwijl het hun prestaties bij waterstofopslag verbetert.

De studie, onder leiding van Berkeley Lab-onderzoekers, putte uit een reeks expertise en capaciteiten van het laboratorium om de magnesiumkristallen te synthetiseren en te coaten, die slechts 3-4 nanometer (miljardste van een meter) breed zijn; hun chemische samenstelling op nanoschaal bestuderen met röntgenstralen; en computersimulaties en ondersteunende theorieën ontwikkelen om beter te begrijpen hoe de kristallen en hun koolstofcoating samen functioneren.

De bevindingen van het wetenschappelijke team kunnen onderzoekers helpen begrijpen hoe vergelijkbare coatings ook de prestaties en stabiliteit kunnen verbeteren van andere materialen die veelbelovend zijn voor waterstofopslagtoepassingen. Het onderzoeksproject is een van de vele inspanningen binnen een multi-lab R&D-inspanning die bekend staat als het Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium (HyMARC), opgericht als onderdeel van het Energy Materials Network door het Fuel Cell Technologies Office van het Amerikaanse Department of Energy in het Office of Energy Efficiëntie en hernieuwbare energie.

Gereduceerd grafeenoxide (of rGO), dat lijkt op het bekendere grafeen (een verlengde laag koolstof, slechts één atoom dik, gerangschikt in een honingraatpatroon), heeft gaten op nanoschaal waardoor waterstof kan passeren terwijl grotere moleculen op afstand worden gehouden.

Deze koolstofverpakking was bedoeld om te voorkomen dat het magnesium - dat wordt gebruikt als waterstofopslagmateriaal - reageert met zijn omgeving, inclusief zuurstof, waterdamp en kooldioxide. Dergelijke blootstellingen zouden een dikke oxidatielaag kunnen produceren die zou voorkomen dat de binnenkomende waterstof de magnesiumoppervlakken bereikt.

Maar de laatste studie suggereert dat er zich tijdens de bereiding een atomair dunne oxidatielaag op de kristallen heeft gevormd. En, nog verrassender, deze oxidelaag lijkt de prestaties van het materiaal niet aan te tasten.

"Eerder, we dachten dat het materiaal zeer goed beschermd was, " zei Liwen Wan, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE Nanoscale Science Research Center, die als hoofdauteur van de studie diende. De studie werd gepubliceerd in de Nano-letters logboek. "Uit onze gedetailleerde analyse blijkt we zagen enig bewijs van oxidatie."

Wan heeft toegevoegd, "De meeste mensen zouden vermoeden dat de oxidelaag slecht nieuws is voor waterstofopslag, wat in dit geval misschien niet waar blijkt te zijn. Zonder deze oxidelaag, het gereduceerde grafeenoxide zou een vrij zwakke interactie hebben met het magnesium, maar met de oxidelaag lijkt de koolstof-magnesiumbinding sterker te zijn.

"Dat is een voordeel dat uiteindelijk de bescherming van de koolstofcoating verbetert, " merkte ze op. "Er lijkt geen nadeel te zijn."

David Prendergast, directeur van de Molecular Foundry's Theory Facility en een deelnemer aan de studie, merkte op dat de huidige generatie voertuigen op waterstof hun brandstofcelmotoren aandrijven met gecomprimeerd waterstofgas. "Dit vereist omvangrijke, zware cilindrische tanks die de rij-efficiëntie van dergelijke auto's beperken, " hij zei, en de nanokristallen bieden een mogelijkheid om deze omvangrijke tanks te elimineren door waterstof op te slaan in andere materialen.

De studie hielp ook om aan te tonen dat de dunne oxidelaag niet noodzakelijk de snelheid belemmert waarmee dit materiaal waterstof kan opnemen, wat belangrijk is als u snel moet tanken. Deze bevinding was ook onverwacht op basis van het conventionele begrip van de blokkerende rol die oxidatie typisch speelt in deze waterstofopslagmaterialen.

Dat betekent dat de verpakte nanokristallen, in een brandstofopslag- en leveringscontext, zou het ingepompte waterstofgas chemisch absorberen met een veel hogere dichtheid dan mogelijk is in een brandstoftank met gecomprimeerd waterstofgas bij dezelfde druk.

De modellen die Wan ontwikkelde om de experimentele gegevens te verklaren, suggereren dat de oxidatielaag die zich rond de kristallen vormt atomair dun is en stabiel is in de tijd, wat suggereert dat de oxidatie niet voortschrijdt.

De analyse was gebaseerd, gedeeltelijk, rond experimenten uitgevoerd bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een röntgenbron, een synchrotron genaamd, die eerder werd gebruikt om te onderzoeken hoe de nanokristallen in realtime omgaan met waterstofgas.

Wan zei dat een sleutel tot het onderzoek het interpreteren van de ALS-röntgengegevens was door röntgenmetingen te simuleren voor hypothetische atoommodellen van de geoxideerde laag, en vervolgens die modellen te selecteren die het beste bij de gegevens passen. "Daaruit weten we hoe het materiaal er eigenlijk uitziet, " ze zei.

Hoewel veel simulaties gebaseerd zijn op zeer zuivere materialen met schone oppervlakken, Wan zei, in dit geval waren de simulaties bedoeld om meer representatief te zijn voor de reële imperfecties van de nanokristallen.

Een volgende stap, in zowel experimenten als simulaties, is om materialen te gebruiken die meer ideaal zijn voor echte waterstofopslagtoepassingen, Wan zei, zoals complexe metaalhydriden (waterstof-metaalverbindingen) die ook in een beschermend vel grafeen zouden worden gewikkeld.

"Door naar complexe metaalhydriden te gaan, u krijgt een intrinsiek hogere waterstofopslagcapaciteit en ons doel is om waterstofopname en -afgifte mogelijk te maken bij redelijke temperaturen en drukken, ' zei Wan.

Sommige van deze complexe metaalhydridematerialen zijn vrij tijdrovend om te simuleren, en het onderzoeksteam is van plan om de supercomputers van Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) voor dit werk te gebruiken.

"Nu we een goed begrip hebben van magnesium nanokristallen, we weten dat we dit vermogen kunnen overdragen om naar andere materialen te kijken om het ontdekkingsproces te versnellen, ' zei Wan.