L'idrogeno come fonte di energia priva di carbonio potrebbe espandersi in una varietà di settori, compresi i processi industriali, calore dell'edificio e trasporti. Attualmente, alimenta una flotta in crescita di veicoli a emissioni zero, compresi i treni in Germania, autobus in Corea del Sud, auto in California e carrelli elevatori in tutto il mondo. Questi veicoli utilizzano una cella a combustibile per combinare i gas di idrogeno e ossigeno, produrre elettricità che alimenta un motore. Il vapore acqueo è la loro unica emissione.

Affinché l'idrogeno continui a crescere e a cambiare i settori in tutta l'economia, sono necessarie nuove infrastrutture. Le auto alimentate a idrogeno immagazzinano gas idrogeno a bordo a una pressione 700 volte maggiore della pressione atmosferica per guidare fino ai veicoli a benzina convenzionali. Sebbene questa tecnologia abbia consentito la commercializzazione di auto alimentate a idrogeno, non può soddisfare gli impegnativi obiettivi di densità energetica stabiliti dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Con il supporto dell'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili dell'Ufficio per le tecnologie delle celle a combustibile del DOE, il Consorzio di ricerca avanzata sui materiali a base di idrogeno (HyMARC), una collaborazione multilab, sta sviluppando due tipi di materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno per raggiungere tali obiettivi federali. Nella prima fase del suo lavoro, il gruppo ha identificato strategie e fatto ricerche fondamentali per aumentare la capacità di stoccaggio delle strutture metallo-organiche e aumentare l'efficienza di stoccaggio degli idruri metallici.

Ora, la collaborazione recentemente ampliata sta utilizzando le strategie più promettenti per ottimizzare i materiali per l'uso futuro nei veicoli, potenzialmente offrendo sistemi di archiviazione di bordo più compatti, pressioni di esercizio ridotte e notevoli risparmi sui costi.

"Questi vantaggi potrebbero aiutare a portare più veicoli a celle a combustibile sulla strada consentendo un'esperienza di guida simile a quella dei veicoli convenzionali, " ha detto Mark Allendorf, ricercatore presso i Sandia National Laboratories e co-direttore del consorzio HyMARC.

Il consorzio sta ora esplorando modi per rimuovere reversibilmente l'idrogeno dalle molecole, come l'etanolo. Questi vettori di idrogeno molecolare sarebbero più facili da trasportare alle stazioni di rifornimento rispetto al gas idrogeno, aumentare l'efficienza dell'erogazione del carburante e ridurre il costo dei veicoli alimentati a idrogeno e di altre applicazioni. I progressi nei materiali avanzati di stoccaggio dell'idrogeno provenienti da HyMARC supporteranno anche l'iniziativa H2@Scale del DOE per consentire una produzione di idrogeno su larga scala a prezzi accessibili, Conservazione, trasporto e utilizzo in più settori.

Consorzio continua

Dal 2015, ricercatori di Sandia, I laboratori nazionali Lawrence Berkeley e Lawrence Livermore si sono concentrati su due tipi principali di materiali di stoccaggio dell'idrogeno per apprendere come la loro forma, la struttura e la composizione chimica influiscono sulle loro prestazioni. Il consorzio HyMARC ha aggiunto ricercatori presso il National Renewable Energy Laboratory, Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale, SLAC National Accelerator Laboratory e il National Institute of Standards and Technology.

Il gruppo ampliato ha recentemente ricevuto un secondo round di finanziamenti dal DOE Energy Efficiency and Renewable Energy Office per affrontare i problemi di prestazioni che impediscono ai materiali più promettenti di raggiungere gli obiettivi federali per lo stoccaggio dell'idrogeno. Fare quello, i ricercatori hanno identificato le sfide più rilevanti che rallentano il ritmo dell'innovazione dei materiali di stoccaggio dell'idrogeno. Quindi sviluppano strumenti per affrontare queste sfide, compresi modi affidabili per realizzare i materiali, nuovi modelli informatici per prevedere le proprietà dei materiali che influenzano le loro prestazioni di conservazione e nuovi metodi di misurazione per adattarsi all'elevata reattività di alcuni materiali con l'umidità e l'ossigeno. "HyMARC mette questi strumenti a disposizione di altri laboratori che li applicano a materiali specifici, " Ha detto Allendorf. "Collaboriamo anche con loro per facilitare la loro ricerca".

Addomesticamento della temperatura

La prima classe di materiali di interesse per HyMARC è chiamata assorbenti. Questi materiali hanno piccoli pori che agiscono come spugne per assorbire e trattenere il gas idrogeno sulle loro superfici. Questi pori creano un materiale con una superficie elevata, e quindi spazio di archiviazione. Un grammo di materiale può avere la stessa superficie di un intero campo da calcio.

Ciò porta a un effetto pratico inaspettato:i materiali porosi possono teoricamente contenere più idrogeno di un serbatoio di carburante ad alta pressione, disse Vitalie Stavila, un chimico Sandia. Tuttavia, poiché il gas idrogeno interagisce debolmente con le pareti dei pori, gran parte di quello spazio di archiviazione rimane inutilizzato. Questi materiali funzionano meglio a temperature criogeniche troppo basse per l'uso pratico.

Gli assorbenti più performanti sono i materiali chiamati strutture metallo-organiche, o MOF. In questi materiali, linker rigidi realizzati con atomi di carbonio collegano i singoli ioni metallici come le sbarre di una palestra nella giungla di un parco giochi. Per aumentare la quantità di idrogeno immagazzinato nei materiali, il consorzio consiglia di aggiungere elementi che catturano l'idrogeno come boro o azoto nei linker di carbonio che formano le pareti dei pori.

I membri del team hanno anche sviluppato MOF in cui più di una molecola di idrogeno può aderire a uno ione metallico nella struttura. Insieme a una maggiore capacità di archiviazione, questi materiali interagiscono più fortemente con l'idrogeno. In pratica, ciò significa che il gas si attacca alle pareti dei pori a temperature più elevate.

Le nanostrutture aumentano l'efficienza dello storage

La seconda classe di materiali promettenti per lo stoccaggio dell'idrogeno sono gli idruri metallici, un materiale che i ricercatori Sandia realizzano da decenni. In questi materiali, gli ioni metallici trattengono l'idrogeno con legami chimici. La rottura di questi legami consente il rilascio del gas idrogeno per l'uso in una cella a combustibile.

Però, questi materiali formano forti legami con l'idrogeno, e l'energia è necessaria per rilasciare il gas immagazzinato. Ridurre la dimensione delle particelle di idruro da grani macroscopici a nanocluster più di diecimila volte più piccoli della larghezza di un capello umano rende il materiale molto più reattivo, permettendogli di rilasciare idrogeno a temperature più basse. Stavila e i suoi colleghi utilizzano materiali porosi, come un MOF o carbonio poroso, come modelli per controllare le dimensioni del cluster e impedire che si aggregano.

"Abbiamo appreso durante la prima fase di HyMARC che la produzione di idruri metallici nanostrutturati ci consente di regolare la forza dei legami formati con l'idrogeno e modificare la velocità con cui l'idrogeno si attacca e lascia la superficie, " Ha detto Stavila. "Questo significa che è necessaria meno energia per rilasciare il gas."

I ricercatori stanno testando gli idruri su scala nanometrica per caratteristiche, come la reversibilità dello stoccaggio e la capacità di stoccaggio utilizzabile, importanti per applicazioni future. "Stiamo costruendo la fiducia che gli idruri su scala nanometrica possono essere pratici materiali di stoccaggio, " ha detto Stavilla.

Il gruppo sta inoltre utilizzando una tecnica informatica chiamata machine learning per identificare rapidamente le proprietà fisiche di questi materiali di archiviazione che sono correlate alle prestazioni necessarie per raggiungere gli obiettivi federali. Il loro approccio consente loro di capire come il computer ha identificato le sue previsioni. "Stiamo generando informazioni scientifiche per creare nuove intuizioni su come si comportano questi materiali, " disse Allendorf.

"Identificare i materiali di stoccaggio dell'idrogeno in grado di soddisfare tutti gli obiettivi del DOE è un passo essenziale verso la transizione verso una futura economia dell'idrogeno, " Egli ha detto.

Per i veicoli alimentati a idrogeno, il raggiungimento di tali obiettivi per i materiali di stoccaggio significa che tali veicoli potrebbero avere un campo pratica, tempi di rifornimento e costi del carburante simili ai veicoli convenzionali.

"Sebbene le sfide tecniche siano grandi, "Allendorf ha detto, "il team di HyMARC è fortemente motivato dall'importanza del suo ruolo e dalle sue recenti scoperte che indicano la strada per materiali di successo".