Zaawansowane badania pozwoliły na magazynowanie wodoru o dużej gęstości

podsumowanie

Nanomateriały cieszą się dużym zainteresowaniem w zakresie magazynowania gazu, jednak osiągnięcie dużej pojemności magazynowania pozostaje wyzwaniem. Tutaj, stosując dyfrakcję proszku neutronów, objętościową adsorpcję gazu, nieelastyczne rozpraszanie neutronów i obliczenia pierwszych zasad, badamy strukturę borowodorku magnezu zawierającą małe pory i częściowo naładowane ujemnie, niepłaskie wnętrze do adsorpcji wodoru i azotu. Wodór i azot zajmują wyraźnie różne miejsca adsorpcji w porach, przy bardzo różnych pojemnościach właściwych wynoszących 2,33 H2 i 0,66 N na Mg(BH4)2. Wodór cząsteczkowy jest bardzo gęsto upakowany, około dwukrotnie gęstszy niż wodór ciekły (144 g H2 na litr objętości porów). Znaleźliśmy pięciokątną grupę wodorową, w której cząsteczki H2 w jednej pozycji mają swobodę rotacji, podczas gdy cząsteczki H2 w innej pozycji mają dobrze określoną orientację i kierunkowe oddziaływanie ze szkieletem. Badanie to pokazuje, że gęsto upakowany wodór można stabilizować w materiałach o małych porach pod ciśnieniem otoczenia.

Efektywne magazynowanie wodoru, kluczowy element przyszłych systemów energetycznych, staje się rzeczywistością. Osiągnięcie to niesie ze sobą ogromną obietnicę zwiększenia wydajności i opłacalności wykorzystania energii wodorowej, ponieważ umożliwia magazynowanie wodoru o dużej gęstości.

Profesor Hyunchul Oh z Wydziału Chemii UNIST poinformował o pionierskim rozwoju w dziedzinie magazynowania wodoru. Badania skupiają się na nanostrukturze borowodorku magnezu (Mg(BH4)2), która wykazuje zdolność do magazynowania wodoru przy dużych gęstościach nawet w normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Korzystając z zaawansowanej technologii adsorpcji o dużej gęstości, zespół badawczy z powodzeniem pokonuje wyzwanie związane z niską pojemnością magazynowania wodoru, powszechnie spotykane w magazynowaniu i transporcie wodoru.

„Nasz opracowany materiał umożliwia bezpieczne i wydajne magazynowanie dużych ilości wodoru, przewyższając tradycyjne metody magazynowania wodoru” – wyjaśnia profesor Oh.

Wodór, obiecujące paliwo przyszłości, stwarza trudności w magazynowaniu na dużą skalę ze względu na słabe interakcje międzycząsteczkowe. Poprzednie metody polegały albo na radykalnym zwiększeniu ciśnienia do 700 atm, albo na obniżeniu temperatury do -253°C w tej samej objętości, aby uzyskać dużą pojemność magazynu. Metody te były jednak niewystarczające pod względem skuteczności.

Zespołowi badawczemu udało się wytworzyć nanoporowaty wodorek kompozytowy, wodorek magnezu, poprzez połączenie stałego wodorku boru (BH4)2 i kationowego metalicznego magnezu (Mg+). Opracowany materiał umożliwia przechowywanie pięciu cząsteczek wodoru w trójwymiarowym układzie, co pozwala na magazynowanie wodoru o dużej gęstości.

Opisany materiał wykazuje zdolność magazynowania wodoru na poziomie 144 g/l na objętość porów, przewyższającą metody alternatywne, takie jak magazynowanie wodoru w postaci gazu w stanie ciekłym (70,8 g/l). Ponadto gęstość cząsteczek wodoru w materiale jest większa niż w stanie stałym (gęstość 86 g/l).

Ponadto zespół badawczy zastosował różne techniki analityczne, w tym rozpraszanie neutronów, wolumetrię kriogeniczną i obliczenia DFT, aby precyzyjnie określić pozycje cząsteczek i zrozumieć, w jaki sposób tak duża ilość wodoru może znajdować się w porach.

„Nasze odkrycia stanowią ważny krok w kierunku rozwiązania problemu magazynowania wodoru, który stanowi kluczową przeszkodę w powszechnym stosowaniu paliwa wodorowego w transporcie publicznym” – mówi profesor Oh. „To osiągnięcie zapewnia możliwość poprawy gęstości magazynowania w ujęciu objętościowym, wyczyn, który został już osiągnięty.” . Nieuchwytny przy obecnych technologiach, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności i ekonomicznej wykonalności wykorzystania energii wodorowej.

Wyniki badań opublikowano w Internecie 6 lutego w Nature Chemistry, prestiżowym międzynarodowym czasopiśmie chemicznym. Badanie przeprowadzono w ramach projektu wsparcia średniej wielkości naukowców wspieranego przez Koreańską Fundację Badawczą Ministerstwa Nauki i ICT.

Odniesienie do czasopisma

Hyuncheol Oh, Nikolai Tumanov, Voraksmi Pan i in., „Micropore Hydrode Frameworks Store gęsto upakowany wodór”, Nature Chemistry, (2024).