(Phys.org)—L'idrogeno è il carburante ideale per i nuovi tipi di veicoli a celle a combustibile, ma un problema è come immagazzinare l'idrogeno. Nella sua tesi di dottorato Serhiy Luzan studia nuovi tipi di materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno. Mostra anche che nuovi materiali con proprietà interessanti possono essere sintetizzati dalla reazione dell'idrogeno con materiali nanostrutturati di carbonio.

I nuovi motori per auto che funzionano a idrogeno producono solo acqua come scarico e sono da tre a quattro volte più efficienti dei normali motori a combustione interna. Un solo "piccolo" problema sta ostacolando lo sviluppo di veicoli alimentati a idrogeno:non esiste un buon metodo per immagazzinare quantità sufficienti di idrogeno, in quanto è un gas di densità molto bassa.

Serhiy Luzan dedica la prima parte della sua tesi agli studi sull'immagazzinamento dell'idrogeno in nuovi eccitanti tipi di materiali:strutture metallo-organiche (MOF). Sono costituiti da cluster metallici a base di zinco e cobalto collegati tra loro tramite linker organici, e sono estremamente porosi. Un grammo di MOF ha una superficie che assorbe l'idrogeno più grande di un campo da calcio! Decine di nuovi materiali MOF vengono sintetizzati ogni anno, che è molto promettente per la prossima generazione di materiali di stoccaggio dell'idrogeno.

Serhiy ha studiato l'assorbimento di idrogeno di diversi nuovi MOF e ha studiato gli effetti di diverse aree superficiali, volumi dei pori, e forme dei pori sui parametri di stoccaggio dell'idrogeno. I MOF possono immagazzinare quantità record di idrogeno a temperature molto basse, ma la capacità di idrogeno a temperatura ambiente non è abbastanza buona. Luzan ha quindi studiato nuovi metodi per potenziare questa capacità. In precedenza è stato riportato che l'aggiunta di catalizzatori metallici migliora notevolmente lo stoccaggio dell'idrogeno.

"Ma nel mio studio, l'effetto dell'aggiunta di catalizzatori metallici sull'assorbimento di idrogeno nei MOF non è stato confermato, "dice Serhihy Luzan.

L'idrogeno è interessante non solo come combustibile ma anche per la modifica chimica di materiali di carbonio nanostrutturati, come i nanotubi di carbonio, fullereni, e grafene. Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio. I nanotubi di carbonio sono costituiti anche da carbonio puro, sotto forma di strati di grafene arrotolati in un cilindro. Fullerene, C60, sono costituiti da sessanta atomi di carbonio disposti in figure a cinque o sei vertici, proprio come il motivo su un pallone da calcio. Esistono materiali in carbonio più resistenti dell'acciaio, condurre la corrente meglio del rame, e diffonde il calore meglio del diamante.

Nella seconda parte della tesi Luzan descrive i materiali da lui creati dalla reazione dell'idrogeno con fullereni e nanotubi di carbonio.

Luzan ha studiato la reazione tra il fullerene C60 e l'idrogeno a temperature e pressioni di idrogeno elevate, con e senza l'aggiunta di catalizzatori metallici. La reazione ha portato alla formazione di fullereni idrogenati, C60Hx. Dopo un trattamento prolungato con idrogeno, la struttura fullerene si frammentò e collassò. Questo risultato mostra che è possibile scomporre i fullereni gradualmente in molecole più piccole a forma di coppa, stabilizzati da atomi di idrogeno. Questa è una struttura che prima era difficile da realizzare.

"Con questo metodo, dovremmo essere in grado di utilizzare i fullereni come materiale di partenza relativamente poco costoso per creare nuove molecole che, si spera, manterrebbero proprietà interessanti dal nanomateriale di carbonio originale, "dice Serhihy Luzan.

Il grafene idrogenato (grafano) dovrebbe essere un materiale ideale per la nuova elettronica a base di carbonio, ma il grafano è difficile da sintetizzare mediante una reazione diretta tra grafene e idrogeno. È molto più facile prima idrogenare i nanotubi di carbonio e poi tagliarli lungo l'asse del tubo nei cosiddetti nanonastri, che hanno idrogeno legato covalentemente alla superficie.

Gli esperimenti di Luzan hanno mostrato che la reazione tra nanotubi di carbonio a parete singola e idrogeno è possibile se viene utilizzato un catalizzatore adatto, ed è stato in grado di osservare che alcuni dei nanotubi sono stati convertiti in grafene o nanonastri di grafane.