Micrografie elettroniche a trasmissione di un composito stabile all'aria composto da nanocristalli metallici di magnesio in una matrice polimerica a barriera ai gas che consente lo stoccaggio ad alta densità e il rapido rilascio di idrogeno senza la necessità di pesanti, catalizzatori metallici costosi. Credito:immagini dal National Center for Electron Microscopy
Dagli anni '70, l'idrogeno è stato pubblicizzato come un'alternativa promettente ai combustibili fossili grazie alla sua combustione pulita, a differenza dei combustibili a base di idrocarburi, che emettono gas serra e inquinanti nocivi, l'unico sottoprodotto della combustione dell'idrogeno è l'acqua. Rispetto alla benzina, l'idrogeno è leggero, può fornire una maggiore densità di energia ed è prontamente disponibile. Ma c'è un motivo per cui non viviamo già in un'economia dell'idrogeno:per sostituire la benzina come carburante, l'idrogeno deve essere immagazzinato in modo sicuro e denso, eppure facilmente accessibile. Limitato da materiali incapaci di superare questi ostacoli in conflitto, la tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno è rimasta indietro rispetto ad altri candidati all'energia pulita.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno tentato di affrontare entrambi i problemi bloccando l'idrogeno nei solidi, imballare quantità maggiori in volumi più piccoli con bassa reattività, una necessità per mantenere stabile questo gas volatile. Però, la maggior parte di questi solidi può assorbire solo una piccola quantità di idrogeno e richiedere un riscaldamento o un raffreddamento estremo per aumentare la loro efficienza energetica complessiva.
Ora, scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno progettato un nuovo materiale composito per lo stoccaggio dell'idrogeno costituito da nanoparticelle di magnesio metallico spruzzate attraverso una matrice di polimetilmetacrilato, un polimero correlato al plexiglas. Questo nanocomposito flessibile assorbe e rilascia rapidamente idrogeno a temperature modeste senza ossidare il metallo dopo il ciclo:un importante passo avanti nella progettazione dei materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno, batterie e celle a combustibile.
"Questo lavoro mette in mostra la nostra capacità di progettare materiali compositi su nanoscala che superano le barriere termodinamiche e cinetiche fondamentali per realizzare una combinazione di materiali che è stata storicamente molto sfuggente, " dice Jeff Urban, Vice Direttore della Struttura di Nanostrutture Inorganiche presso la Fonderia Molecolare, un centro di nanoscienze dell'Office of Science del DOE e una struttura nazionale per gli utenti situata presso il Berkeley Lab. "Inoltre, siamo in grado di sfruttare in modo produttivo le proprietà uniche sia del polimero che della nanoparticella in questo nuovo materiale composito, che può avere un'ampia applicabilità a problemi correlati in altre aree della ricerca energetica."
Urbano, insieme ai coautori Ki-Joon Jeon e Christian Kisielowski hanno utilizzato il microscopio TEAM 0.5 presso il National Center for Electron Microscopy (NCEM), un'altra struttura per utenti nazionali dell'Office of Science del DOE ospitata presso il Berkeley Lab, osservare i singoli nanocristalli di magnesio dispersi in tutto il polimero. Con le capacità di imaging ad alta risoluzione di TEAM 0.5, il microscopio elettronico più potente del mondo, i ricercatori sono stati anche in grado di tracciare i difetti (vacanze atomiche in una struttura cristallina altrimenti ordinata) fornendo informazioni senza precedenti sul comportamento dell'idrogeno all'interno di questa nuova classe di materiali di stoccaggio.
Questo schema mostra nanocristalli di magnesio ad alta capacità incapsulati in una matrice polimerica barriera ai gas per creare un nuovo e rivoluzionario materiale composito di stoccaggio dell'idrogeno. Credito:immagine di Jeff Urban
"La scoperta di nuovi materiali che potrebbero aiutarci a trovare una soluzione energetica più sostenibile è al centro della missione del Dipartimento dell'Energia. Il nostro laboratorio fornisce esperimenti eccezionali per supportare questa missione con grande successo, " dice Kisielowski. "Abbiamo confermato la presenza di idrogeno in questo materiale attraverso indagini spettroscopiche dipendenti dal tempo con il microscopio TEAM 0.5. Questa indagine suggerisce che anche l'imaging diretto delle colonne di idrogeno in tali materiali può essere tentato utilizzando il microscopio TEAM".
"La natura unica di Berkeley Lab incoraggia le collaborazioni interdivisionali senza limitazioni, " ha detto Jeon, ora all'Ulsan National Institute of Science and Technology, il cui lavoro post-dottorato con Urban ha portato a questa pubblicazione.
Per studiare l'assorbimento e il rilascio di idrogeno nel loro materiale nanocomposito, il team si è rivolto alla divisione Energy and Environmental Technologies (EETD) di Berkeley Lab, la cui ricerca è finalizzata allo sviluppo di tecnologie più rispettose dell'ambiente per la generazione e lo stoccaggio di energia, compreso lo stoccaggio dell'idrogeno.
"Qui all'EETD, abbiamo lavorato a stretto contatto con l'industria per mantenere un impianto di stoccaggio dell'idrogeno e sviluppare protocolli di test delle proprietà di stoccaggio dell'idrogeno, "dice Samuele Mao, direttore del Clean Energy Laboratory presso il Berkeley Lab e membro aggiunto della facoltà di ingegneria presso l'Università della California (UC), Berkeley. "Ci piace molto questa collaborazione con Jeff e il suo team nella Divisione Scienze dei materiali, dove hanno sviluppato e sintetizzato questo nuovo materiale, e sono stati quindi in grado di utilizzare la nostra struttura per la loro ricerca sullo stoccaggio dell'idrogeno".
Aggiunge Urbano, "Questa scienza ambiziosa è ben posizionata per essere perseguita all'interno della forte etica collaborativa qui al Berkeley Lab. I successi che otteniamo dipendono in modo critico dagli stretti legami tra la microscopia all'avanguardia presso l'NCEM, strumenti e competenze dell'EETD, e la caratterizzazione e il know-how sui materiali di MSD."
