I ricercatori hanno sviluppato un modello basato sui dati per prevedere le barriere di deidrogenazione dell'idruro di magnesio (MgH2 ), un materiale promettente per lo stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido. Questo progresso racchiude un potenziale significativo per migliorare le tecnologie di stoccaggio dell'idrogeno, una componente cruciale nella transizione verso soluzioni energetiche sostenibili.
L’idrogeno, riconosciuto per la sua versatilità e il potenziale energetico pulito, può essere prodotto da varie fonti rinnovabili. Materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido, in particolare MgH2 , sono considerati i principali candidati per uno stoccaggio efficiente dell'idrogeno grazie alla loro elevata capacità di stoccaggio e all'abbondanza di risorse.
Tuttavia, nonostante le ricerche approfondite degli ultimi cinquant'anni, le proprietà materiali di MgH2 non hanno ancora raggiunto gli obiettivi prestazionali stabiliti dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (US-DOE).
La sfida principale risiede nella comprensione dei principi fondamentali delle reazioni di stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido. Gli attuali metodi per valutare l'efficienza dei materiali di stoccaggio dell'idrogeno si basano sull'entalpia di deidrogenazione e sulle barriere energetiche, essendo quest'ultima particolarmente complessa e computazionalmente impegnativa da calcolare. Le tradizionali tecniche di ricerca dello stato di transizione, sebbene perfezionate nel tempo, rimangono costose e richiedono molto tempo, limitando il ritmo di scoperta e ottimizzazione.
Per risolvere questo problema, il gruppo di ricerca ha introdotto un modello che prevede le barriere di deidrogenazione utilizzando parametri facilmente calcolabili:l’orbitale della popolazione cristallina di Hamilton del legame Mg-H e la distanza tra gli atomi di idrogeno atomici. Derivando un rapporto distanza-energia, il modello cattura la chimica essenziale della cinetica di reazione con richieste computazionali significativamente inferiori rispetto ai metodi convenzionali.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie International Edition .
"Il nostro modello offre un modo più rapido ed efficiente per prevedere le prestazioni di deidrogenazione dei materiali di stoccaggio dell'idrogeno", ha affermato Hao Li, professore associato presso l'Istituto avanzato per la ricerca sui materiali (WPI-AIMR) dell'Università di Tohoku e autore corrispondente dell'articolo. "Ciò ci consente di colmare il divario di conoscenze lasciato dalle tecniche sperimentali e di accelerare lo sviluppo di soluzioni di stoccaggio dell'idrogeno ad alte prestazioni."
Il potere predittivo del modello è stato convalidato rispetto a misurazioni sperimentali tipiche, mostrando un eccellente accordo e fornendo chiare linee guida di progettazione per migliorare le prestazioni di MgH2 . Questa svolta non solo avvicina l'idruro di magnesio agli obiettivi US-DOE, ma pone anche le basi per applicazioni più ampie in altri idruri metallici.
Il gruppo di ricerca prevede di estendere l'applicazione del modello oltre i materiali a base di magnesio. La flessibilità delle variabili del modello consente una rapida ricalibrazione su diversi idruri metallici, facilitando potenzialmente la scoperta di nuovi materiali compositi e soluzioni innovative di stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido.
"Adattando il nostro modello a vari idruri metallici, possiamo accelerare l'esplorazione e l'ottimizzazione dei materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno, aprendo la strada a sistemi energetici più puliti ed efficienti", ha aggiunto Li.
Ulteriori informazioni: Chaoqun Li et al, Immaginare il divario tra le prestazioni e l'obiettivo di stoccaggio dell'idrogeno del DOE degli Stati Uniti:un modello basato sui dati per MgH2 Deidrogenazione, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202320151
Informazioni sul giornale: Edizione Internazionale Angewandte Chemie
Fornito dall'Università di Tohoku
