Gli ingegneri della Rice University si sono concentrati sull'architettura ottimale per immagazzinare l'idrogeno in nanomateriali "grafene bianco", un design come un grattacielo lillipuziano con "pavimenti" di nitruro di boro posti uno sopra l'altro e tenuti esattamente a 5,2 angstrom l'uno dall'altro da pilastri di nitruro di boro.

I risultati appaiono sulla rivista Piccolo .

"La motivazione è creare un materiale efficiente che possa assorbire e trattenere molto idrogeno, sia in volume che in peso, e che possa rilasciare rapidamente e facilmente quell'idrogeno quando è necessario, " ha detto l'autore principale dello studio, Rouzbeh Shahsavari, assistente professore di ingegneria civile e ambientale alla Rice.

L'idrogeno è l'elemento più leggero e più abbondante nell'universo, e il suo rapporto energia-massa:la quantità di energia disponibile per libbra di materia prima, per esempio, supera di gran lunga quella dei combustibili fossili. È anche il modo più pulito per generare elettricità:l'unico sottoprodotto è l'acqua. Un rapporto del 2017 degli analisti di mercato di BCC Research ha rilevato che la domanda globale di materiali e tecnologie per lo stoccaggio dell'idrogeno raggiungerà probabilmente i 5,4 miliardi di dollari all'anno entro il 2021.

I principali svantaggi dell'idrogeno riguardano la portabilità, stoccaggio e sicurezza. Mentre grandi volumi possono essere immagazzinati ad alta pressione in cupole di sale sotterranee e serbatoi appositamente progettati, serbatoi portatili di piccole dimensioni, l'equivalente di un serbatoio di benzina per automobili, finora sono sfuggiti agli ingegneri.

Dopo mesi di calcoli su due dei supercomputer più veloci di Rice, Shahsavari e lo studente laureato della Rice Shuo Zhao hanno trovato l'architettura ottimale per immagazzinare idrogeno nel nitruro di boro. Una forma del materiale, nitruro di boro esagonale (hBN), è costituito da fogli di boro e azoto dello spessore di un atomo ed è talvolta chiamato grafene bianco perché gli atomi sono distanziati esattamente come gli atomi di carbonio in fogli piatti di grafene.

Il lavoro precedente nel Multiscale Materials Lab di Shahsavari ha scoperto che i materiali ibridi di grafene e nitruro di boro potrebbero contenere abbastanza idrogeno per soddisfare gli obiettivi di stoccaggio del Dipartimento dell'Energia per i veicoli a celle a combustibile leggeri.

"La scelta del materiale è importante, " ha detto. "Il nitruro di boro ha dimostrato di essere migliore in termini di assorbimento dell'idrogeno rispetto al grafene puro, nanotubi di carbonio o ibridi di grafene e nitruro di boro.

"Ma anche la spaziatura e la disposizione dei fogli e dei pilastri in hBN è fondamentale, " ha detto. "Quindi abbiamo deciso di eseguire una ricerca esaustiva di tutte le possibili geometrie di hBN per vedere quale funzionava meglio. Abbiamo anche ampliato i calcoli per includere varie temperature, pressioni e droganti, oligoelementi che possono essere aggiunti al nitruro di boro per aumentare la sua capacità di stoccaggio dell'idrogeno".

Zhao e Shahsavari hanno allestito numerosi test "ab initio", simulazioni al computer che utilizzavano i primi principi della fisica. Shahsavari ha affermato che l'approccio è stato computazionalmente intenso, ma valeva lo sforzo extra perché offriva la massima precisione.

"Abbiamo condotto quasi 4, 000 calcoli ab initio per cercare di trovare quel punto debole in cui il materiale e la geometria vanno di pari passo e lavorano davvero insieme per ottimizzare lo stoccaggio dell'idrogeno, " Egli ha detto.

A differenza dei materiali che immagazzinano idrogeno attraverso legami chimici, Shahsavari ha detto che il nitruro di boro è un assorbente che trattiene l'idrogeno attraverso legami fisici, che sono più deboli dei legami chimici. Questo è un vantaggio quando si tratta di estrarre l'idrogeno dallo stoccaggio perché i materiali assorbenti tendono a scaricarsi più facilmente rispetto ai loro cugini chimici, ha detto Shahsavari.

Ha detto che la scelta di fogli o tubi di nitruro di boro e la corrispondente distanza tra loro nella sovrastruttura sono stati la chiave per massimizzare la capacità.

"Senza pilastri, le lenzuola si siedono naturalmente una sopra l'altra a circa 3 angstrom l'una dall'altra, e pochissimi atomi di idrogeno possono penetrare in quello spazio, " ha detto. "Quando la distanza è cresciuta a 6 angstrom o più, anche la capacità è diminuita. A 5,2 angstrom, c'è un'attrazione cooperativa sia dal soffitto che dal pavimento, e l'idrogeno tende ad ammassarsi nel mezzo. Al contrario, i modelli realizzati con tubi puramente BN, non fogli, avevano una capacità di stoccaggio inferiore."

Shahsavari ha detto che i modelli hanno mostrato che le strutture della piastra tubiera in hBN puro potrebbero contenere l'8% in peso di idrogeno. (La percentuale di peso è una misura della concentrazione, simile a parti per milione.) Sono necessari esperimenti fisici per verificare tale capacità, ma che l'obiettivo finale del DOE è il 7,5 percento in peso, e i modelli di Shahsavari suggeriscono che nella sua struttura può essere immagazzinato ancora più idrogeno se si aggiungono tracce di litio all'hBN.

Finalmente, Shahsavari ha detto, irregolarità nell'appartamento, lastre a pavimento della struttura potrebbero rivelarsi utili anche per gli ingegneri.

"Le rughe si formano naturalmente nei fogli di nitruro di boro a pilastri a causa della natura delle giunzioni tra le colonne e i pavimenti, " ha detto. "In effetti, questo potrebbe anche essere vantaggioso perché le rughe possono fornire durezza. Se il materiale viene sottoposto a carico o impatto, quella forma con fibbia può slacciarsi facilmente senza rompersi. Questo potrebbe aumentare la sicurezza del materiale, che è una grande preoccupazione nei dispositivi di stoccaggio dell'idrogeno.

"Per di più, l'elevata conduttività termica e flessibilità del BN possono fornire ulteriori opportunità per controllare l'adsorbimento e la cinetica di rilascio su richiesta, " Shahsavari ha detto. "Per esempio, può essere possibile controllare la cinetica di rilascio applicando una tensione esterna, calore o un campo elettrico."