Qualche volta, devi andare piccolo per vincere alla grande. Questo è l'approccio di un multilab, Il team interdisciplinare ha utilizzato le nanoparticelle e un nuovo sistema di nanoconfinamento per sviluppare un metodo per modificare le proprietà di stoccaggio dell'idrogeno. Questa scoperta potrebbe consentire la creazione di materiali di stoccaggio dell'idrogeno ad alta capacità in grado di rifornirsi rapidamente, migliorare le prestazioni dei veicoli elettrici emergenti a celle a combustibile a idrogeno. Laboratori Nazionali Sandia, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il National Institute of Standards and Technology e la Mahidol University di Bangkok, Tailandia, collaborato alla ricerca, che è stato pubblicato l'8 febbraio sulla rivista Interfacce materiali avanzati .

Accelerare l'assorbimento e il rilascio di idrogeno

I veicoli a celle a combustibile a idrogeno sono alimentati da una reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno all'interno di una cella a combustibile. Mentre l'ossigeno è fornito dall'aria, l'idrogeno deve essere immagazzinato separatamente sul veicolo. Gli attuali veicoli elettrici a celle a combustibile immagazzinano l'idrogeno come gas ad alta pressione.

Un materiale solido può agire come una spugna per l'assorbimento e il rilascio di idrogeno, in termini chimici idrogenazione e deidrogenazione. Pertanto, l'utilizzo di un tale materiale di stoccaggio dell'idrogeno potrebbe aumentare la quantità di idrogeno che può essere immagazzinato. Il materiale deve essere in grado di immagazzinare abbastanza idrogeno per consentire al veicolo di percorrere almeno 300 miglia prima del rifornimento.

"Ci sono due problemi critici con le spugne esistenti per lo stoccaggio dell'idrogeno, " ha detto il chimico di Sandia Vitalie Stavila. "La maggior parte non può assorbire abbastanza idrogeno per le automobili. Anche, le spugne non rilasciano e assorbono l'idrogeno abbastanza velocemente, soprattutto rispetto ai 5 minuti necessari per il rifornimento."

In questo sforzo, Stavila ha spiegato, il team interdisciplinare di scienziati ha lavorato a stretto contatto sulla sintesi, caratterizzazione e modellazione per migliorare le proprietà del nitruro di litio, una promettente spugna per lo stoccaggio dell'idrogeno. Il team ha anche sviluppato una comprensione fondamentale del motivo per cui il nanodimensionamento migliora le proprietà di stoccaggio dell'idrogeno di questo materiale.

Confinare lo spazio

L'idea è venuta dallo studente laureato della Mahidol University Natchapol "Golf" Poonyayant, che si è avvicinato a Sandia con l'idea di utilizzare il nanoconfinamento per migliorare le reazioni di stoccaggio dell'idrogeno nei composti contenenti azoto. In collaborazione con i ricercatori Sandia, Poonyayant, il suo consigliere, Pasit Pakawatpanurut, e il collega studente di Mahidol Natee "Game" Angboonpong hanno scoperto che l'ammoniaca liquida potrebbe essere usata come solvente delicato ed efficiente per introdurre metalli e azoto nelle tasche delle nanoparticelle di carbonio, produzione di particelle di nitruro di litio nanoconfinate.

Il nuovo materiale emerso dall'idea di Poonyayant ha mostrato alcune proprietà insolite e inaspettate. Primo, la quantità di nitruro di litio nell'ospite di nanoparticelle di carbonio era piuttosto elevata per un sistema nanoconfinato, circa il 40 per cento. Secondo, il nitruro di litio nanoconfinato ha assorbito e rilasciato idrogeno più rapidamente del materiale sfuso. Per di più, una volta idrogenato il nitruro di litio, ha anche rilasciato idrogeno in un solo passaggio e molto più velocemente del sistema di massa che ne richiedeva due.

"In altre parole, i percorsi chimici sia per l'assorbimento che per il rilascio dell'idrogeno in questo materiale di stoccaggio dell'idrogeno sono stati drasticamente cambiati in meglio, ", ha detto il chimico di Sandia Lennie Klebanoff.

Capire il puzzle

Per comprendere meglio il meccanismo responsabile di questo miglioramento, gli scienziati di Sandia hanno contattato lo scienziato computazionale Brandon Wood di LLNL, uno dei massimi esperti nella teoria delle reazioni allo stato solido. Wood e i suoi colleghi LLNL Tae Wook Heo, Jonathan Lee e Keith Ray hanno scoperto che la ragione del comportamento insolito era l'energia associata a due interfacce materiali.

Poiché le nanoparticelle di nitruro di litio sono larghe solo 3 nanometri, anche il più piccolo processo energeticamente sfavorevole viene evitato nelle proprietà di stoccaggio dell'idrogeno. Per le nanoparticelle di nitruro di litio che subiscono reazioni di idrogenazione, l'evitamento di intermedi sfavorevoli, passaggi aggiuntivi nel processo chimico, aumenta l'efficienza.

Prendendo il sentiero di minor resistenza, il materiale subisce un percorso in un unico passaggio fino alla completa idrogenazione. Allo stesso modo, una volta idrogenato, le nanoparticelle rilasciano idrogeno attraverso il percorso energetico più basso disponibile, che in questo caso è il rilascio diretto di idrogeno al nitruro di litio.

"In questo modo, le nanointerfacce guidano le proprietà di stoccaggio dell'idrogeno quando i materiali sono realizzati molto piccoli, ad esempio con il nanoconfinamento, " ha detto Wood. "Il controllo mirato delle nanointerfacce offre un nuovo modo per ottimizzare la chimica della reazione di stoccaggio dell'idrogeno".

Il prossimo passo

Secondo i ricercatori Sandia e LLNL, il passo successivo è comprendere ulteriormente come le fasi deidrogenata e idrogenata del nitruro di litio cambiano su scala nanometrica. Questa è una sfida dura per la squadra, poiché richiede l'imaging di diverse fasi chimiche all'interno di una particella larga solo alcuni nanometri.

Il team attingerà alle capacità del DOE's Hydrogen Storage Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), guidato da Sandia e comprendeva anche scienziati del LLNL e del Lawrence Berkeley National Laboratory. Il team prevede di utilizzare la radiazione di sincrotrone risolta spazialmente dalla sorgente di luce avanzata di LBNL per sondare la chimica e la struttura dell'interfaccia.

Inoltre, poiché l'ospite nanoporoso di carbonio è "peso morto" dal punto di vista dello stoccaggio dell'idrogeno, il team sta esaminando modi per "alleggerire il carico" e trovare materiali in carbonio con più nanotasche per una data massa di carbonio.

"Siamo entusiasti di questo progresso tecnico ed entusiasti di affrontare il lavoro che ci attende, " ha detto Klebanoff. "Ma è agrodolce. Golf, che ha ispirato questo lavoro e condotto molte delle sintesi, morì tragicamente all'età di 25 anni durante la stesura di questo articolo. Il mondo ha perso un giovane di talento e noi abbiamo perso un caro amico che ci manca. Questo lavoro e il suo resoconto pubblicato sono dedicati a Golf e alla sua famiglia."