Forskere begynder at teste lovende nyt nanomateriale til brintlagring

Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute arbejder på at optimere et lovende nyt nanomateriale kaldet nanoblades til brug i brintlagring. Under deres test af det nye materiale, de har opdaget, at det kan lagre og frigive brint ekstremt hurtigt og ved lave temperaturer sammenlignet med lignende materialer. Et andet vigtigt aspekt ved det nye materiale er, at det også er genopladeligt. Disse egenskaber kunne gøre den ideel til brug i brintlagring ombord til næste generations brint- eller brændselscellebiler.

Resultaterne af nanobladenes ydeevne er offentliggjort i september 2011-udgaven af International Journal of Hydrogen Energy i en artikel med titlen "Lavtemperaturcykling af hydrogenering-dehydrogenering af Pd-dekorerede Mg nanoblade." Forskningen er sponsoreret af National Science Foundation.

Forskerne skabte de magnesiumbaserede nanoblade for første gang i 2007. I modsætning til tredimensionelle nanofjedre og stænger, nanoblade er asymmetriske. De er ekstremt tynde i én dimension og brede i en anden dimension, skabe meget store overfladearealer. De er også spredt ud med op til en mikron mellem hvert blad.

For at opbevare brint, et stort overfladeareal med plads mellem nanostrukturer er nødvendigt for at give plads til, at materialet kan udvide sig, efterhånden som flere brintatomer lagres. Det store overfladeareal og den ultratynde profil af hver nanoblade, kombineret med mellemrummene mellem hver klinge, kunne gøre dem ideelle til denne applikation, ifølge Gwo-Ching Wang, professor i fysik, anvendt fysik, og astronomi ved Rensselaer.

For at skabe nanobladene, forskerne bruger skrå vinkel dampaflejring. Denne fremstillingsteknik bygger nanostrukturer ved at fordampe et materiale - magnesium i dette tilfælde - og tillade de fordampede atomer at aflejre sig på en overflade i en skrå vinkel. Det færdige materiale dekoreres derefter med en metallisk katalysator til at fange og opbevare brint. Til denne forskning, nanobladene var belagt med palladium.

I deres seneste papir, forskerne rapporterer om deres test af nanobladenes ydeevne. At forstå, hvordan materialet reagerer på brint over tid, er afgørende for at forbedre materialet til fremtidig brug i brintkøretøjer, ifølge postdoc-forsker og hovedforfatter til det nye papir Yu Liu.

"Kravene fra Department of Energy er meget udfordrende for eksisterende brintlagringsteknologi, især når det kommer til nye energilagringsmaterialer til brintlagring ombord, " sagde Liu. "Alle nye materialer skal fungere ved lave temperaturer, desorberer hydrogen hurtigt, være omkostningseffektiv, og kan genbruges."

Deres arbejde med nanoblade er allerede lovende på alle disse områder, ifølge Wang og Liu.

Hvad de fandt er, at nanobladene begyndte at frigive brint ved 340 grader K (ca. 67 grader Celsius). Når temperaturen blev øget en smule til 373 K (100 grader C), brinten lagret i nanobladene blev frigivet på kun 20 minutter. Mange andre materialer kræver mere end det dobbelte af den temperatur for at fungere med den hastighed, ifølge Liu.

De fandt også ud af, at nanobladene er genanvendelige. Det betyder, at de kan genoplades efter brintfrigivelse og bruges igen og igen. Sådan genanvendelighed er afgørende for praktiske anvendelser.

Ved at bruge en teknik kaldet refleksions højenergi elektrondiffraktion (RHEED) og temperaturprogrammeret desorption (TPD) - som er udstyret på et integreret ultrahøjt vakuumsystem med en kombination af en højtryksreaktionscelle og et tyndfilmsdeponeringskammer - fandt de at de nuværende nanoblade kan gennemgå mere end 10 cyklusser med brintabsorption og frigivelse.

RHEED-teknikken er forskellig fra andre processer, såsom røntgendiffraktion, fordi den overvåger den nære overfladestruktur, fase, og kornstørrelse af materialet, efterhånden som det ændrer sig. Sporing af materialets overfladeudvikling giver indsigt i, hvordan strukturen udvikler sig over tid.

Brug af RHEED, de fandt ud af, at katalysatoren over tid bliver forgiftet, og magnesium reagerer med ilt. Dette forårsager oxidation, som i sidste ende nedbryder materialet og forårsager både morfologiske og kemiske ændringer i materialet.

De vil nu arbejde på at optimere materialet med forskellige katalysatorer og polymerbeskyttende belægninger for at forbedre ydeevnen og øge antallet af cyklusser, som materialet kan gennemgå uden nedbrydning.

"De næste skridt er at forbedre genanvendeligheden, " sagde Wang. ”Vi har fundet årsagen til nedbrydningen af ​​materialet; nu kan vi begynde at forbedre materialet.”