Forskere opnår gennembrud inden for nanokomposit til brintlagring med høj kapacitet

Siden 1970'erne, brint er blevet udråbt som et lovende alternativ til fossile brændstoffer på grund af dets rene forbrænding - i modsætning til kulbrintebaserede brændstoffer, som udsender drivhusgasser og skadelige forurenende stoffer, brints eneste forbrændingsbiprodukt er vand. Sammenlignet med benzin, brint er let, kan give en højere energitæthed og er let tilgængelig. Men der er en grund til, at vi ikke allerede lever i en brintøkonomi:at erstatte benzin som brændstof, brint skal opbevares sikkert og tæt, alligevel let tilgængelig. Begrænset af materialer, der ikke er i stand til at springe disse modstridende forhindringer, teknologi til lagring af brint har haltet bagefter andre kandidater til ren energi.

I de seneste år, forskere har forsøgt at tackle begge problemer ved at låse brint i faste stoffer, pakning af større mængder i mindre volumener med lav reaktivitet - en nødvendighed for at holde denne flygtige gas stabil. Imidlertid, de fleste af disse faste stoffer kan kun absorbere en lille mængde brint og kræver ekstrem opvarmning eller afkøling for at øge deres samlede energieffektivitet.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designet et nyt kompositmateriale til brintlagring bestående af nanopartikler af magnesiummetal drysset gennem en matrix af polymethylmethacrylat, en polymer relateret til plexiglas. Denne bøjelige nanokomposit absorberer og frigiver hurtigt hydrogen ved beskedne temperaturer uden at oxidere metallet efter cykling - et stort gennembrud i materialedesign til brintlagring, batterier og brændselsceller.

"Dette arbejde viser vores evne til at designe kompositmaterialer i nanoskala, der overvinder grundlæggende termodynamiske og kinetiske barrierer for at realisere en materialekombination, der har været meget uhåndgribelig historisk, " siger Jeff Urban, Vicedirektør for faciliteten for uorganiske nanostrukturer på Molecular Foundry, et DOE Office of Science nanoscience-center og national brugerfacilitet placeret på Berkeley Lab. "I øvrigt, vi er i stand til produktivt at udnytte de unikke egenskaber af både polymeren og nanopartiklerne i dette nye kompositmateriale, som kan have bred anvendelighed til relaterede problemer inden for andre områder af energiforskning."

Urban, sammen med medforfatterne Ki-Joon Jeon og Christian Kisielowski brugte TEAM 0.5 mikroskopet ved National Center for Electron Microscopy (NCEM), en anden DOE Office of Science national brugerfacilitet i Berkeley Lab, at observere individuelle magnesium nanokrystaller spredt gennem polymeren. Med billedbehandlingskapaciteterne i høj opløsning i TEAM 0.5, verdens mest kraftfulde elektronmikroskop, forskerne var også i stand til at spore defekter - ledige atomer i en ellers ordnet krystallinsk ramme - hvilket gav hidtil uset indsigt i brints adfærd inden for denne nye klasse af lagermaterialer.

"At opdage nye materialer, der kan hjælpe os med at finde en mere bæredygtig energiløsning, er kernen i Department of Energy's mission. Vores laboratorium tilbyder fremragende eksperimenter til at understøtte denne mission med stor succes, " siger Kisielowski. "Vi bekræftede tilstedeværelsen af ​​brint i dette materiale gennem tidsafhængige spektroskopiske undersøgelser med TEAM 0,5 mikroskopet. Denne undersøgelse tyder på, at selv direkte billeddannelse af brintsøjler i sådanne materialer kan forsøges ved hjælp af TEAM-mikroskopet."

"Den unikke karakter af Berkeley Lab tilskynder til tværgående samarbejder uden nogen begrænsninger, " sagde Jeon, nu ved Ulsan National Institute of Science and Technology, hvis postdoktorale arbejde med Urban førte til denne udgivelse.

For at undersøge optagelsen og frigivelsen af ​​brint i deres nanokompositmateriale, holdet henvendte sig til Berkeley Labs Energy and Environmental Technologies Division (EETD), hvis forskning er rettet mod at udvikle mere miljøvenlige teknologier til generering og lagring af energi, herunder brintlagring.

"Her på EETD, vi har arbejdet tæt sammen med industrien for at opretholde en brintlagerfacilitet samt udvikle brintlageregenskabstestprotokoller, " siger Samuel Mao, direktør for Clean Energy Laboratory ved Berkeley Lab og et adjungeret ingeniørfakultetsmedlem ved University of California (UC), Berkeley. "Vi nyder meget dette samarbejde med Jeff og hans team i Materials Sciences Division, hvor de udviklede og syntetiserede dette nye materiale, og var derefter i stand til at bruge vores facilitet til deres brintlagringsforskning."

tilføjer Urban, "Denne ambitiøse videnskab er enestående velpositioneret til at blive forfulgt inden for den stærke samarbejds-etos her på Berkeley Lab. De succeser, vi opnår, afhænger i høj grad af tætte bånd mellem banebrydende mikroskopi på NCEM, værktøjer og ekspertise fra EETD, og karakteriseringen og materialeknowhowen fra MSD."