Supertæt pakning af brintmolekyler på en overflade

Brint (H₂ ) diskuteres i øjeblikket som en ideel energibærer af vedvarende energi. Brint har den højeste gravimetriske energitæthed af alle kemiske brændstoffer (141 MJ/kg), hvilket er tre gange højere end benzin (46 MJ/kg). Dens lave volumetriske tæthed begrænser imidlertid dens udbredte brug i transportapplikationer - da de nuværende opbevaringsmuligheder kræver meget plads.

Ved omgivelsestemperatur er brint en gas, og et kilogram brint fylder 12000 liter (12 kubikmeter). I brændselscellekøretøjer lagres brint under et meget højt tryk på 700 gange det atmosfæriske tryk, hvilket reducerer volumen til 25 liter pr. kilogram H₂ . Flydende brint viser en højere densitet, hvilket resulterer i 14 liter pr. kilogram, men det kræver ekstremt lave temperaturer, da kogepunktet for brint er minus 253 °C.

Nu har et team af forskere fra Max Planck Institute for Intelligente Systems, Technische Universität Dresden, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg og Oak Ridge National Laboratory påvist, at brint kondenserer på en overflade ved en meget lav temperatur nær H. ₂ kogepunkt, der danner et supertæt monolag, der overstiger densiteten af ​​flydende brint med en faktor på næsten tre, hvilket reducerer volumenet til kun 5 liter pr. kilogram H₂ .

Det overraskende resultat var, at dobbelt så mange H₂ molekyler end atomer af ædelgassen argon dækkede overfladen, selvom begge har næsten samme størrelse. For at fordoble antallet af molekyler pr. område, H₂ molekyler klemmer sig tæt sammen og danner et supertæt lag.

Undersøgelsen af ​​R. Balderas-Xicohténcatl et al. involverede højopløselige kryoadsorptionseksperimenter på højt-ordnet mesoporøs silica, der udviser veldefinerede pore- og overfladekarakteristika for at bestemme antallet af molekyler, der kondenseres på materialets overflade.

Uelastisk neutronspredning er et ideelt værktøj til at følge dannelsen af ​​dette todimensionelle brintlag. For første gang blev eksistensen af ​​denne supertætte brint bekræftet in situ. Denne direkte observation var kun mulig ved brug af neutronvibrationsspektrometeret VISION med høj opløsning, som har en uelastisk tællehastighed, der er mere end 100 gange større end noget lignende tilgængeligt spektrometer.

Teoretiske undersøgelser bekræfter de eksperimentelle observationer af den usædvanligt høje brintdensitet i det adsorberede lag. Tiltrækningskræfterne ved overfladen var stærkere end frastødningen mellem to brintmolekyler, hvilket resulterede i en supertæt brintpakning på den mesoporøse silicaoverflade. Den superhøje tæthed er en konsekvens af den høje komprimerbarhed af brint, som ikke har kerneelektroner.

Dannelsen af ​​det supertætte brintlag ved lave temperaturer nær kogepunktet er af fundamental interesse. Det bør overvejes til kvantitativ analyse af H₂ adsorptionsisotermer ved 20 K. Det kan også åbne nye muligheder for at forbedre den volumetriske kapacitet af kryogene brintlagringssystemer til mange anvendelser i en kommende brintøkonomi.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Chemistry . + Udforsk yderligere

Baner vejen for mere effektive brintbiler