L'idrogeno è l'elemento più leggero e più abbondante sulla Terra e nel nostro universo. Quindi non dovrebbe essere una grande sorpresa che gli scienziati stiano perseguendo l'idrogeno come un pulito, senza carbonio, fonte di energia virtualmente illimitata per auto e per una serie di altri usi, dai generatori portatili alle torri per le telecomunicazioni, con l'acqua come unico sottoprodotto della combustione.

Sebbene permangano sfide scientifiche per rendere le fonti energetiche basate sull'idrogeno più competitive con gli attuali sistemi di propulsione automobilistica e altre tecnologie energetiche, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno sviluppato una nuova ricetta di materiali per una cella a combustibile a idrogeno simile a una batteria, che circonda i nanocristalli di magnesio che assorbono l'idrogeno con fogli di grafene atomicamente sottili, per far avanzare le sue prestazioni in chiave le zone.

Il grafene protegge i nanocristalli dall'ossigeno, dall'umidità e dai contaminanti, mentre piccolo, i fori naturali consentono il passaggio delle molecole di idrogeno più piccole. Questo processo di filtraggio supera i problemi comuni che degradano le prestazioni degli idruri metallici per lo stoccaggio dell'idrogeno.

Questi cristalli di magnesio incapsulati nel grafene agiscono come "spugne" per l'idrogeno, offrendo un modo molto compatto e sicuro per prendere e immagazzinare idrogeno. I nanocristalli consentono inoltre un rifornimento più rapido, e ridurre la dimensione complessiva del "serbatoio".

"Tra i materiali a base di idruri metallici per lo stoccaggio dell'idrogeno per applicazioni su veicoli a celle a combustibile, i nostri materiali hanno buone prestazioni in termini di capacità, reversibilità, cinetica e stabilità, " disse Eun Seon Cho, un ricercatore post-dottorato al Berkeley Lab e autore principale di uno studio relativo alla nuova formula delle celle a combustibile, pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura .

In un veicolo alimentato a celle a combustibile a idrogeno che utilizza questi materiali, nota come cella a combustibile "idruro metallico" (idrogeno legato con un metallo), Il gas idrogeno pompato in un veicolo verrebbe assorbito chimicamente dalla polvere di nanocristalli di magnesio e reso sicuro a basse pressioni.

Jeff Urban, uno scienziato e coautore del Berkeley Lab, disse, "Questo lavoro suggerisce la possibilità di stoccaggio e utilizzo pratico dell'idrogeno in futuro. Ritengo che questi materiali rappresentino un approccio generalmente applicabile per stabilizzare i materiali reattivi pur sfruttando la loro attività unica, concetti che potrebbero avere un'ampia gamma di applicazioni per le batterie, catalisi, e materiali energetici."

La ricerca, condotto presso la fonderia molecolare e la sorgente di luce avanzata del Berkeley Lab, fa parte di un Consorzio Laboratorio Nazionale, soprannominato HyMARC (Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium) che cerca uno stoccaggio dell'idrogeno più sicuro ed economico, e Urban è lo scienziato capo del Berkeley Lab per questo sforzo.

La quota di mercato statunitense per tutti i veicoli a trazione elettrica nel 2015, compreso completamente elettrico, ibridi e veicoli ibridi plug-in, era del 2,87 percento, che ammonta a circa 500, 000 veicoli a trazione elettrica su un totale di circa 17,4 milioni di veicoli venduti, secondo le statistiche riportate dalla Electric Drive Transportation Association, un'associazione di categoria che promuove i veicoli a trazione elettrica.

I veicoli a celle a combustibile a idrogeno non hanno ancora fatto grandi progressi nelle vendite di veicoli, sebbene diversi importanti produttori di automobili, tra cui Toyota, Honda, e General Motors, hanno investito nello sviluppo di veicoli a celle a combustibile a idrogeno. Infatti, Toyota ha rilasciato un modello di piccola produzione chiamato Mirai, che utilizza serbatoi di idrogeno compresso, l'anno scorso negli Stati Uniti

Un potenziale vantaggio per i veicoli con celle a combustibile a idrogeno, oltre al loro ridotto impatto ambientale rispetto ai veicoli a carburante standard, è l'alta energia specifica dell'idrogeno, il che significa che le celle a combustibile a idrogeno possono potenzialmente assumere meno peso rispetto ad altri sistemi di batterie e fonti di carburante, producendo più energia elettrica.

Una misura della capacità di accumulo di energia per peso delle celle a combustibile a idrogeno, nota come "densità di energia gravimetrica, " è circa tre volte quella della benzina. Urban ha notato che questa importante proprietà, se usato efficacemente, potrebbe estendere la gamma totale di veicoli di trasporto a base di idrogeno, ed estendere il tempo tra il rifornimento di carburante per molte altre applicazioni, pure.

Sono necessarie più attività di ricerca e sviluppo per realizzare uno stoccaggio dell'idrogeno a capacità più elevata per applicazioni su veicoli a lungo raggio che superano le prestazioni delle batterie esistenti per veicoli elettrici, Cho ha detto, e altre applicazioni potrebbero essere più adatte per le celle a combustibile a idrogeno a breve termine, come fonti di energia fisse, carrelli elevatori e veicoli aeroportuali, fonti di alimentazione portatili come caricabatterie per laptop, illuminazione portatile, pompe per acqua e fognature e attrezzature per servizi di emergenza.

Cho ha affermato che un ostacolo allo stoccaggio dell'idruro metallico è stato un ritmo relativamente lento nell'assorbimento (assorbimento) e nell'emissione (desorbimento) di idrogeno durante il ciclo delle unità. Nelle celle a combustibile, reazioni chimiche separate che coinvolgono idrogeno e ossigeno producono un flusso di elettroni che vengono incanalati come corrente elettrica, creando acqua come sottoprodotto.

Le minuscole dimensioni dei nanocristalli incapsulati di grafene creati al Berkeley Lab, che misurano solo circa 3-4 nanometri, o miliardesimi di metro di diametro, è una chiave per la cattura rapida e il rilascio di idrogeno da parte dei nuovi materiali per celle a combustibile, Cho ha detto, poiché hanno più superficie disponibile per le reazioni rispetto allo stesso materiale a dimensioni maggiori.

Un'altra chiave è proteggere il magnesio dall'esposizione all'aria, che lo renderebbe inutilizzabile per la cella a combustibile, lei ha aggiunto.

Lavorando alla Fonderia Molecolare, i ricercatori hanno trovato un semplice, tecnica "one pan" scalabile ed economica per mescolare i fogli di grafene e i nanocristalli di ossido di magnesio nello stesso lotto. Successivamente hanno studiato la struttura dei nanocristalli rivestiti utilizzando i raggi X presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab. Gli studi a raggi X hanno mostrato come il gas idrogeno pompato nella miscela di celle a combustibile ha reagito con i nanocristalli di magnesio per formare una molecola più stabile chiamata idruro di magnesio, impedendo all'ossigeno di raggiungere il magnesio.

"È stabile nell'aria, che è importante, " disse Cho.

I prossimi passi della ricerca si concentreranno sull'utilizzo di diversi tipi di catalizzatori, che possono migliorare la velocità e l'efficienza delle reazioni chimiche, per migliorare ulteriormente la conversione della corrente elettrica della cella a combustibile, e nello studio se diversi tipi di materiale possono anche migliorare la capacità complessiva della cella a combustibile, disse Cho.