Ingenieurs van Rice University hebben zich gericht op de optimale architectuur voor het opslaan van waterstof in "witte grafeen" nanomaterialen - een ontwerp zoals een lilliputter-wolkenkrabber met "vloeren" van boornitride die op elkaar zitten en precies 5,2 angstrom uit elkaar worden gehouden door boornitride-pilaren.

De resultaten verschijnen in het tijdschrift Klein .

"De motivatie is om een ​​efficiënt materiaal te maken dat veel waterstof kan opnemen en vasthouden - zowel qua volume als gewicht - en dat die waterstof snel en gemakkelijk kan afgeven wanneer dat nodig is. " zei de hoofdauteur van de studie, Rouzbeh Shahsavari, assistent-professor civiele en milieutechniek bij Rice.

Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element in het heelal, en de energie-tot-massaverhouding - de hoeveelheid beschikbare energie per pond grondstof, bijvoorbeeld - veel groter is dan die van fossiele brandstoffen. Het is ook de schoonste manier om elektriciteit op te wekken:het enige bijproduct is water. Uit een rapport van marktanalisten van BCC Research uit 2017 bleek dat de wereldwijde vraag naar materialen en technologieën voor waterstofopslag tegen 2021 waarschijnlijk $ 5,4 miljard per jaar zal bedragen.

De belangrijkste nadelen van waterstof hebben betrekking op draagbaarheid, opslag en veiligheid. Terwijl grote volumes onder hoge druk kunnen worden opgeslagen in ondergrondse zoutkoepels en speciaal ontworpen tanks, kleinschalige draagbare tanks - het equivalent van een benzinetank voor auto's - hebben ingenieurs tot nu toe ontgaan.

Na maanden van berekeningen op twee van Rice' snelste supercomputers, Shahsavari en Rice afgestudeerde student Shuo Zhao vonden de optimale architectuur voor het opslaan van waterstof in boornitride. Een vorm van het materiaal, hexagonaal boornitride (hBN), bestaat uit atoomdikke platen van boor en stikstof en wordt soms wit grafeen genoemd omdat de atomen precies op dezelfde afstand liggen als koolstofatomen in platte platen grafeen.

Uit eerder werk in Shahsavari's Multiscale Materials Lab bleek dat hybride materialen van grafeen en boornitride voldoende waterstof kunnen bevatten om te voldoen aan de opslagdoelstellingen van het Department of Energy voor lichte brandstofcelvoertuigen.

"De materiaalkeuze is belangrijk, " zei hij. "Het is aangetoond dat boornitride beter is in termen van waterstofabsorptie dan puur grafeen, koolstofnanobuisjes of hybriden van grafeen en boornitride.

"Maar de afstand en opstelling van hBN-platen en pilaren is ook van cruciaal belang, " zei hij. "Dus hebben we besloten om een ​​uitgebreide zoektocht uit te voeren naar alle mogelijke geometrieën van hBN om te zien welke het beste werkte. We hebben de berekeningen ook uitgebreid met verschillende temperaturen, druk en doteermiddelen, sporenelementen die aan het boornitride kunnen worden toegevoegd om de waterstofopslagcapaciteit te vergroten."

Zhao en Shahsavari hebben talloze "ab initio"-tests opgezet, computersimulaties die de eerste beginselen van de natuurkunde gebruikten. Shahsavari zei dat de aanpak rekenkundig intensief was, maar de extra inspanning waard was omdat het de meeste precisie bood.

"We hebben bijna 4 000 ab initio berekeningen om te proberen die goede plek te vinden waar het materiaal en de geometrie hand in hand gaan en echt samenwerken om de waterstofopslag te optimaliseren, " hij zei.

In tegenstelling tot materialen die waterstof opslaan door chemische binding, Shahsavari zei dat boornitride een sorptiemiddel is dat waterstof vasthoudt via fysieke bindingen, die zwakker zijn dan chemische bindingen. Dat is een voordeel als het erom gaat waterstof uit de opslag te halen, omdat sorptiematerialen de neiging hebben om gemakkelijker te ontladen dan hun chemische neven, zei Shahsavari.

Hij zei dat de keuze voor boornitrideplaten of -buizen en de bijbehorende afstand ertussen in de bovenbouw de sleutel waren tot het maximaliseren van de capaciteit.

"Zonder pilaren, de vellen zitten van nature op elkaar, ongeveer 3 angstrom uit elkaar, en heel weinig waterstofatomen kunnen die ruimte binnendringen, " zei hij. "Toen de afstand groeide tot 6 angstrom of meer, de capaciteit viel ook weg. Bij 5,2 Angström, er is een coöperatieve attractie van zowel het plafond als de vloer, en de waterstof heeft de neiging om in het midden te klonteren. Omgekeerd, modellen gemaakt van puur BN-buizen - geen platen - hadden minder opslagcapaciteit."

Shahsavari zei dat modellen aantoonden dat de zuivere hBN-buisplaatstructuren 8 gewichtsprocent waterstof konden bevatten. (Gewichtspercentage is een maat voor concentratie, vergelijkbaar met delen per miljoen.) Er zijn fysieke experimenten nodig om die capaciteit te verifiëren, maar dat het uiteindelijke doel van de DOE 7,5 gewichtsprocent is, en Shahsavari's modellen suggereren dat er nog meer waterstof in zijn structuur kan worden opgeslagen als er sporen van lithium aan het hBN worden toegevoegd.

Eindelijk, Shahsavari zei, onregelmatigheden in de flat, vloerachtige platen van de constructie kunnen ook nuttig zijn voor ingenieurs.

"Van nature vormen zich rimpels in de platen van boornitride met pilaren vanwege de aard van de verbindingen tussen de kolommen en vloeren, "zei hij. "In feite, dit kan ook voordelig zijn omdat de rimpels taaiheid kunnen verschaffen. Als het materiaal onder belasting of stoten wordt geplaatst, die geknikte vorm kan gemakkelijk worden losgegespt zonder te breken. Dit kan bijdragen aan de veiligheid van het materiaal, wat een grote zorg is bij waterstofopslagapparaten.

"Verder, de hoge thermische geleidbaarheid en flexibiliteit van BN kunnen extra mogelijkheden bieden om de adsorptie- en afgiftekinetiek on-demand te regelen, " zei Shahsavari. "Bijvoorbeeld, het kan mogelijk zijn om de vrijgavekinetiek te regelen door een externe spanning aan te leggen, warmte of een elektrisch veld."