Magnesium har stadig potentialet til at blive en effektiv brintbutik, siger undersøgelse

Det er let at være optimistisk omkring brint som et ideelt brændstof. Det er meget sværere at komme med en løsning på et helt grundlæggende problem:Hvordan opbevarer man dette brændstof effektivt? Et schweizisk-polsk hold af eksperimentelle og teoretiske fysikere har fundet svaret på spørgsmålet om, hvorfor tidligere forsøg på at bruge det lovende magnesiumhydrid til dette formål har vist sig utilfredsstillende, og hvorfor de kan lykkes i fremtiden.

Brint har længe været set som fremtidens energibærer. Men før det bliver en realitet i energisektoren, skal der udvikles effektive metoder til opbevaring af det. Materialer - udvalgt på en sådan måde, at brint til lave energiomkostninger først kan sprøjtes ind i dem og derefter genvindes efter behov, helst under forhold, der ligner dem, der er typiske for vores daglige miljø - ser ud til at være den optimale løsning.

En lovende kandidat til brintlagring ser ud til at være magnesium. At omdanne det til magnesiumhydrid kræver imidlertid en passende effektiv katalysator, som endnu ikke er fundet.

Arbejdet udført af et team af videnskabsmænd fra Empa - de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og teknologi i Dübendorf og Institut for Kemi ved Universitetet i Zürich samt Institut for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow, har vist, at årsagen til de mange års fiasko indtil dette punkt ligger i en ufuldstændig forståelse af de fænomener, der opstår i magnesium under brintinjektion.

Den største hindring for optagelsen af ​​brint som energikilde er vanskeligheden ved at lagre det. I stadig sjældne brintdrevne biler opbevares den komprimeret ved et tryk på omkring 700 atmosfærer. Det er hverken den billigste eller den sikreste metode, og det har ikke meget med effektivitet at gøre:Der er kun 45 kg brint i en kubikmeter. Samme volumen kan rumme 70 kg brint, hvis det er kondenseret på forhånd.

Desværre kræver fortætningsprocessen store mængder energi, og den ekstremt lave temperatur, omkring 20 Kelvin, skal så holdes under hele opbevaringen. Et alternativ kunne være egnede materialer; for eksempel magnesiumhydrid, som kan rumme op til 106 kg brint i en kubikmeter.

Magnesiumhydrid er blandt de enkleste af de materialer, der er testet for brintlagringskapacitet. Dens indhold kan nå op på 7,6% (efter vægt). Magnesiumhydrid-anordninger er derfor ret tunge og derfor hovedsageligt velegnede til stationære applikationer. Det er dog vigtigt at bemærke, at magnesiumhydrid er et meget sikkert stof og kan opbevares uden risiko; for eksempel i en kælder, og magnesium i sig selv er et let tilgængeligt og billigt metal.

"Forskning i inkorporering af brint i magnesium har stået på i årtier, men det har ikke resulteret i løsninger, der kan regne med bredere anvendelse," siger prof. Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), en teoretisk fysiker, der har været medforfatter til en artikel i Advanced Science, hvor den seneste opdagelse præsenteres.

"En kilde til problemer er hydrogen i sig selv. Dette grundstof kan effektivt trænge ind i magnesiums krystalstruktur, men kun når det er til stede i form af enkelte atomer. For at opnå det fra typisk molekylært brint, en katalysator, der er effektiv nok til at gøre processen med brintmigrering i materialet er hurtig og energisk levedygtig. Så alle har ledt efter en katalysator, der opfylder ovenstående betingelser, desværre uden den store succes I dag ved vi endelig, hvorfor disse forsøg var dømt til at mislykkes

Prof. Lodziana har udviklet en ny model for de termodynamiske og elektronprocesser, der forekommer i magnesium i kontakt med brintatomer. Modellen forudsiger, at der under migrationen af ​​brintatomer dannes lokale, termodynamisk stabile magnesiumhydridklynger i materialet. Ved grænserne mellem det metalliske magnesium og dets hydrid sker der så ændringer i materialets elektroniske struktur, og det er disse, der har en væsentlig rolle i at reducere mobiliteten af ​​hydrogenioner.

Med andre ord er kinetikken af ​​magnesiumhydriddannelse primært bestemt af fænomener ved dets grænseflade med magnesium. Denne effekt var hidtil ikke blevet taget i betragtning i søgningen efter effektive katalysatorer.

Prof. Lodzianas teoretiske arbejde supplerer eksperimenter udført i det schweiziske laboratorium i Dübendorf. Her blev migrationen af ​​atomart brint i et lag af rent magnesium sputteret på palladium undersøgt i et ultrahøjt vakuumkammer. Måleapparatet var i stand til at registrere ændringer i tilstanden af ​​adskillige ydre atomlag af prøven under undersøgelse, forårsaget af dannelsen af ​​en ny kemisk forbindelse og de tilhørende transformationer af materialets elektroniske struktur. Modellen foreslået af forskerne fra IFJ PAN giver os mulighed for fuldt ud at forstå de eksperimentelle resultater.

Præstationerne fra den schweizisk-polske gruppe af fysikere baner ikke kun vejen for en ny søgen efter en optimal katalysator for magnesiumhydrid, men forklarer også, hvorfor nogle af de tidligere fundne katalysatorer viste højere effektivitet end forventet.

"Der er meget, der tyder på, at manglen på betydelige fremskridt inden for brintlagring i magnesium og dets forbindelser simpelthen skyldtes vores ufuldstændige forståelse af de processer, der er involveret i brinttransport i disse materialer. I årtier har vi alle ledt efter bedre katalysatorer, bare ikke der, hvor vi burde lede. Nu gør nye teoretiske og eksperimentelle resultater det muligt at tænke igen med optimisme om yderligere forbedringer i metoder til at introducere brint i magnesium," slutter prof. Lodziana.

Flere oplysninger: Selim Kazaz et al., Hvorfor Hydrogen Dissociation Catalysts ikke virker for hydrogenering af magnesium, Avanceret videnskab (2023). DOI:10.1002/advs.202304603

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af det polske videnskabsakademi