Credito:Chimica della natura (2022). DOI:10.1038/s41557-022-01019-7
Idrogeno (H2 ) è attualmente considerato un vettore energetico ideale per le energie rinnovabili. L'idrogeno ha la densità di energia gravimetrica più alta di tutti i combustibili chimici (141 MJ/kg), che è tre volte superiore alla benzina (46 MJ/kg). Tuttavia, la sua bassa densità volumetrica ne limita l'uso diffuso nelle applicazioni di trasporto, poiché le attuali opzioni di stoccaggio richiedono molto spazio.
A temperatura ambiente, l'idrogeno è un gas e un chilogrammo di idrogeno occupa un volume di 12000 litri (12 metri cubi). Nei veicoli a celle a combustibile, l'idrogeno viene immagazzinato a una pressione molto elevata di 700 volte la pressione atmosferica, il che riduce il volume a 25 litri per chilogrammo di H2 . L'idrogeno liquido mostra una densità più elevata risultando in 14 litri per chilogrammo, ma richiede temperature estremamente basse poiché il punto di ebollizione dell'idrogeno è di meno 253 °C.
Ora un team di scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems, della Technische Universität Dresden, della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e dell'Oak Ridge National Laboratory ha dimostrato che l'idrogeno condensa su una superficie a una temperatura molto bassa vicino all'H 2 punto di ebollizione, formando un monostrato super denso che supera la densità dell'idrogeno liquido di un fattore quasi tre, il che riduce il volume a soli 5 litri per chilogrammo H2 .
Il risultato sorprendente è stato che il doppio di H2 molecole di atomi del gas nobile argon coprivano la superficie, anche se entrambi hanno quasi le stesse dimensioni. Per raddoppiare il numero di molecole per area, H2 le molecole si stringono strettamente insieme, formando uno strato super denso.
Lo studio di R. Balderas-Xicohténcatl et al. ha coinvolto esperimenti di crioadsorbimento ad alta risoluzione su silice mesoporosa altamente ordinata che mostrava caratteristiche di superficie e pori ben definite per determinare il numero di molecole condensate sulla superficie del materiale.
La diffusione anelastica dei neutroni è uno strumento ideale per seguire la formazione di questo strato di idrogeno bidimensionale. Per la prima volta, l'esistenza di questo idrogeno super denso è stata confermata in situ. Questa osservazione diretta è stata possibile solo utilizzando lo spettrometro vibrazionale a neutroni ad alta risoluzione VISION, che presenta un tasso di conteggio anelastico più di 100 volte maggiore rispetto a qualsiasi spettrometro simile disponibile.
Studi teorici confermano le osservazioni sperimentali della densità di idrogeno insolitamente alta nello strato adsorbito. Le forze di attrazione sulla superficie erano più forti della repulsione tra due molecole di idrogeno, risultando in un imballaggio di idrogeno super denso sulla superficie mesoporosa della silice. L'altissima densità è una conseguenza dell'elevata comprimibilità dell'idrogeno, che non ha elettroni nel nucleo.
Di fondamentale interesse è la formazione dello strato di idrogeno superdenso a basse temperature prossime al punto di ebollizione. Dovrebbe essere considerato per l'analisi quantitativa di H2 isoterme di adsorbimento a 20 K. Potrebbe anche aprire nuove possibilità per migliorare la capacità volumetrica dei sistemi di stoccaggio dell'idrogeno criogenico per molte applicazioni in una futura economia dell'idrogeno.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Chemistry . + Esplora ulteriormente
