Materialer øget kapacitet, effektivitet kunne sænke barren for brintteknologi

Brint som en kulstoffri energikilde kan udvides til en række forskellige sektorer, herunder industrielle processer, bygningsvarme og transport. I øjeblikket, den driver en voksende flåde af nul-emissionskøretøjer, inklusive tog i Tyskland, busser i Sydkorea, biler i Californien og gaffeltrucks verden over. Disse køretøjer bruger en brændselscelle til at kombinere brint og oxygengasser, producerer elektricitet, der driver en motor. Vanddamp er deres eneste emission.

For at brint skal fortsætte med at vokse og ændre sektorer på tværs af økonomien, der er brug for ny infrastruktur. Brintdrevne biler opbevarer brint om bord ved et tryk, der er 700 gange større end atmosfærisk tryk for at køre så langt som konventionelle benzinbiler. Mens denne teknologi har gjort det muligt at kommercialisere brintdrevne biler, det kan ikke opfylde de udfordrende energitæthedsmål, der er fastsat af det amerikanske energiministerium.

Med støtte fra DOE's Energy Efficiency and Renewable Energy Office's Fuel Cell Technologies Office, Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), et multilab samarbejde, udvikler to typer brintlagringsmaterialer for at opfylde disse føderale mål. I den første fase af sit arbejde, gruppen identificerede strategier og foretog grundlæggende forskning for at øge lagringskapaciteten af ​​metal-organiske rammer og øge lagringseffektiviteten af ​​metalhydrider.

Nu, det nyligt udvidede samarbejde bruger de mest lovende strategier til at optimere materialerne til fremtidig brug i køretøjer, potentielt tilbyde mere kompakte indbyggede lagersystemer, reduceret driftstryk og betydelige omkostningsbesparelser.

"Disse fordele kunne hjælpe med at få flere brændselscellekøretøjer på vejen ved at muliggøre en køreoplevelse, der ligner den for konventionelle køretøjer, " sagde Mark Allendorf, en forsker ved Sandia National Laboratories og meddirektør for HyMARC-konsortiet.

Konsortiet undersøger nu måder at fjerne brint reversibelt fra molekyler, såsom ethanol. Disse molekylære brintbærere ville være lettere at transportere til tankstationer end brintgas, øge effektiviteten af ​​brændstoflevering og reducere omkostningerne ved brintdrevne køretøjer samt andre applikationer. Gennembrud inden for avancerede brintlagringsmaterialer, der kommer ud af HyMARC, vil også understøtte DOEs H2@Scale-initiativ for at muliggøre overkommelig brintproduktion i stor skala, opbevaring, transport og udnyttelse på tværs af flere sektorer.

Konsortiet fortsætter

Siden 2015 har forskere ved Sandia, Lawrence Berkeley og Lawrence Livermore nationale laboratorier har fokuseret på to primære typer brintlagringsmaterialer for at lære, hvordan deres form, struktur og kemisk sammensætning påvirker deres ydeevne. HyMARC-konsortiet har tilføjet forskere ved National Renewable Energy Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory og National Institute of Standards and Technology.

Den udvidede gruppe modtog for nylig en anden finansieringsrunde fra DOE Energy Efficiency and Renewable Energy Office for at løse præstationsproblemer, der forhindrer de mest lovende materialer i at nå de føderale mål for brintlagring. At gøre det, forskerne har identificeret de mest relevante udfordringer, der bremser tempoet i innovation af brintlagermateriale. De udvikler derefter værktøjer til at tackle disse udfordringer, herunder pålidelige måder at fremstille materialerne på, nye computermodeller til at forudsige materialeegenskaber, der påvirker deres opbevaringsydelse, og nye målemetoder for at imødekomme nogle materialers høje reaktivitet med fugt og ilt. "HyMARC gør disse værktøjer tilgængelige for andre laboratorier, der anvender dem til specifikke materialer, " sagde Allendorf. "Vi samarbejder også med dem for at lette deres forskning."

Tæmme temperatur

Den første klasse af materialer af interesse for HyMARC kaldes sorbenter. Disse materialer har små porer, der fungerer som svampe til at adsorbere og holde brintgas på deres overflader. Disse porer skaber et materiale med et stort overfladeareal, og dermed lagerplads. Et gram materiale kan have lige så meget overfladeareal som en hel fodboldbane.

Det fører til en uventet praktisk effekt:porøse materialer kan teoretisk indeholde mere brint end en højtryksbrændstoftank, sagde Vitalie Stavila, en Sandia-kemiker. Men fordi brintgas interagerer svagt med porevæggene, meget af den lagerplads bliver ubrugt. Disse materialer fungerer bedst ved kryogene temperaturer, der er for lave til praktisk brug.

De bedst ydende sorbenter er materialer kaldet metal-organiske rammer, eller MOF'er. I disse materialer, stive linkere lavet af kulstofatomer forbinder individuelle metalioner som stængerne i en jungle på legepladsen. For at øge mængden af ​​brint lagret i materialerne, konsortiet anbefaler at tilføje brintfangende elementer som bor eller nitrogen i de kulstoflinkere, der danner porevæggene.

Teammedlemmer har også udviklet MOF'er, hvor mere end ét brintmolekyle kan klæbe til en metalion i rammen. Sammen med øget lagerkapacitet, disse materialer interagerer stærkere med brint. Praktisk talt, det betyder, at gassen klæber til porevæggene ved højere temperaturer.

Nanostrukturer øger lagringseffektiviteten

Den anden klasse af lovende brintlagringsmaterialer er metalhydrider, et materiale, som Sandia-forskere har lavet i årtier. I disse materialer, metalioner holder brint med kemiske bindinger. At bryde disse bindinger gør det muligt at frigive brintgas til brug i en brændselscelle.

Imidlertid, disse materialer danner stærke bindinger med brint, og energi er nødvendig for at frigive lagret gas. At reducere størrelsen af ​​hydridpartikler fra makroskopiske korn til nanoclusters mere end ti tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår gør materialet meget mere reaktivt, tillader det at frigive brint ved lavere temperaturer. Stavila og hans kolleger bruger porøse materialer, såsom en MOF eller porøst kulstof, som skabeloner til at kontrollere klyngestørrelsen og forhindre dem i at klumpe sammen.

"Vi lærte under den første fase af HyMARC, at fremstilling af nanostrukturerede metalhydrider giver os mulighed for at justere styrken af ​​bindingerne dannet med brint og ændre, hvor hurtigt brint binder sig til og forlader overfladen, " sagde Stavila. "Det betyder, at der skal mindre energi til for at frigive gassen."

Forskerne tester hydrider i nanoskala for funktioner, såsom lagerreversibilitet og brugbar lagerkapacitet, som er vigtige for fremtidige ansøgninger. "Vi opbygger tillid til, at hydrider i nanoskala kan være praktiske opbevaringsmaterialer, " sagde Stavila.

Gruppen bruger også en computervidenskabsteknik kaldet maskinlæring til hurtigt at identificere de fysiske egenskaber af disse lagermaterialer, der korrelerer med den ydeevne, der er nødvendig for at nå de føderale mål. Deres tilgang giver dem mulighed for at forstå, hvordan computeren identificerede sine forudsigelser. "Vi genererer videnskabelig indsigt for at skabe ny intuition af, hvordan disse materialer opfører sig, " sagde Allendorf.

"At identificere brintlagringsmaterialer, der kan opfylde alle DOE-målene, er et væsentligt skridt mod overgangen til en fremtidig brintøkonomi, " han sagde.

For brintdrevne køretøjer, opfyldelse af disse mål for opbevaringsmaterialer betyder, at sådanne køretøjer kan have driving ranges, tankningstider og brændstofomkostninger svarende til konventionelle køretøjer.

"Selvom de tekniske udfordringer er store, " sagde Allendorf, "HyMARC-teamet er stærkt motiveret af vigtigheden af ​​dets rolle og af dets seneste opdagelser, der viser vejen til succesfulde materialer."