Una miscela polverosa di nanocristalli metallici avvolti in fogli monostrato di atomi di carbonio, sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab), mostra la promessa di immagazzinare in sicurezza l'idrogeno per l'uso con celle a combustibile per veicoli passeggeri e altri usi. E adesso, un nuovo studio fornisce informazioni sui dettagli atomici del rivestimento ultrasottile dei cristalli e su come funge da schermatura selettiva migliorando le loro prestazioni nello stoccaggio dell'idrogeno.

Lo studio, guidato dai ricercatori del Berkeley Lab, ha attinto a una serie di competenze e capacità del laboratorio per sintetizzare e rivestire i cristalli di magnesio, che misurano solo 3-4 nanometri (miliardesimi di metro) di diametro; studiare la loro composizione chimica su nanoscala con i raggi X; e sviluppare simulazioni al computer e teorie di supporto per comprendere meglio come funzionano insieme i cristalli e il loro rivestimento di carbonio.

I risultati del team scientifico potrebbero aiutare i ricercatori a capire come rivestimenti simili potrebbero anche migliorare le prestazioni e la stabilità di altri materiali che mostrano risultati promettenti per le applicazioni di stoccaggio dell'idrogeno. Il progetto di ricerca è uno dei numerosi sforzi all'interno di uno sforzo di ricerca e sviluppo multi-laboratorio noto come Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium (HyMARC) istituito come parte dell'Energy Materials Network dall'Ufficio per le tecnologie delle celle a combustibile del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti nell'Ufficio dell'energia Efficienza ed Energie Rinnovabili.

Ossido di grafene ridotto (o rGO), che ricorda il più famoso grafene (un esteso foglio di carbonio, solo un atomo di spessore, disposti a nido d'ape), ha fori su scala nanometrica che consentono il passaggio dell'idrogeno tenendo a bada le molecole più grandi.

Questo involucro di carbonio aveva lo scopo di impedire al magnesio, utilizzato come materiale di stoccaggio dell'idrogeno, di reagire con il suo ambiente, compreso ossigeno, vapore acqueo e anidride carbonica. Tali esposizioni potrebbero produrre uno spesso rivestimento di ossidazione che impedirebbe all'idrogeno in arrivo di accedere alle superfici di magnesio.

Ma l'ultimo studio suggerisce che uno strato di ossidazione atomicamente sottile si sia formato sui cristalli durante la loro preparazione. E, ancora più sorprendentemente, questo strato di ossido non sembra degradare le prestazioni del materiale.

"In precedenza, pensavamo che il materiale fosse molto ben protetto, " ha detto Liwen Wan, un ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, un centro di ricerca scientifica su nanoscala DOE, che è stato l'autore principale dello studio. Lo studio è stato pubblicato su Nano lettere rivista. "Dalla nostra analisi dettagliata, abbiamo visto alcune prove di ossidazione."

Wan ha aggiunto, "La maggior parte delle persone sospetterebbe che lo strato di ossido sia una cattiva notizia per lo stoccaggio dell'idrogeno, che in questo caso potrebbe non essere vero. Senza questo strato di ossido, l'ossido di grafene ridotto avrebbe un'interazione abbastanza debole con il magnesio, ma con lo strato di ossido il legame carbonio-magnesio sembra essere più forte.

"Questo è un vantaggio che alla fine migliora la protezione fornita dal rivestimento in carbonio, " ha osservato. "Non sembra esserci alcun aspetto negativo."

David Prendergast, direttore della Molecular Foundry's Theory Facility e partecipante allo studio, ha osservato che l'attuale generazione di veicoli alimentati a idrogeno alimenta i propri motori a celle a combustibile utilizzando gas idrogeno compresso. "Ciò richiede ingombranti, serbatoi cilindrici pesanti che limitano l'efficienza di guida di tali auto, " Egli ha detto, e i nanocristalli offrono una possibilità per eliminare questi serbatoi ingombranti immagazzinando idrogeno all'interno di altri materiali.

Lo studio ha anche aiutato a dimostrare che il sottile strato di ossido non ostacola necessariamente la velocità con cui questo materiale può assorbire idrogeno, che è importante quando hai bisogno di fare rifornimento velocemente. Questa scoperta è stata inaspettata anche in base alla comprensione convenzionale del ruolo di blocco che l'ossidazione svolge tipicamente in questi materiali di stoccaggio dell'idrogeno.

Ciò significa che i nanocristalli avvolti, in un contesto di stoccaggio e fornitura di carburante, assorbirebbe chimicamente il gas idrogeno pompato ad una densità molto più alta di quella possibile in un serbatoio di carburante gas idrogeno compresso alle stesse pressioni.

I modelli che Wan ha sviluppato per spiegare i dati sperimentali suggeriscono che lo strato di ossidazione che si forma attorno ai cristalli è atomicamente sottile ed è stabile nel tempo, suggerendo che l'ossidazione non progredisce.

L'analisi si è basata, in parte, intorno agli esperimenti eseguiti presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una sorgente di raggi X chiamata sincrotrone che è stata precedentemente utilizzata per esplorare come i nanocristalli interagiscono con il gas idrogeno in tempo reale.

Wan ha affermato che una chiave per lo studio è stata interpretare i dati dei raggi X della SLA simulando le misurazioni dei raggi X per ipotetici modelli atomici dello strato ossidato, e poi selezionando quei modelli che meglio si adattano ai dati. "Da questo sappiamo che aspetto ha il materiale, " lei disse.

Mentre molte simulazioni si basano su materiali molto puri con superfici pulite, Wan ha detto, in questo caso le simulazioni dovevano essere più rappresentative delle imperfezioni del mondo reale dei nanocristalli.

Un passo successivo, sia in esperimenti che simulazioni, consiste nell'utilizzare materiali più ideali per le applicazioni di stoccaggio dell'idrogeno nel mondo reale, Wan ha detto, come idruri metallici complessi (composti idrogeno-metallo) che sarebbero anche avvolti in un foglio protettivo di grafene.

"Andando a complessi idruri metallici, si ottiene una capacità di stoccaggio dell'idrogeno intrinsecamente più elevata e il nostro obiettivo è consentire l'assorbimento e il rilascio dell'idrogeno a temperature e pressioni ragionevoli, "Ha detto Wan.

Alcuni di questi complessi materiali idruri metallici richiedono molto tempo per la simulazione, e il team di ricerca prevede di utilizzare i supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab per questo lavoro.

"Ora che abbiamo una buona conoscenza dei nanocristalli di magnesio, sappiamo che possiamo trasferire questa capacità per esaminare altri materiali per accelerare il processo di scoperta, "Ha detto Wan.