Søgningen efter nye materialer til brintopbevaring

(Phys.org) - Brint er det ideelle brændstof til nye typer brændselscellekøretøjer, men et problem er, hvordan man opbevarer brint. I sin doktorafhandling studerer Serhiy Luzan nye typer materialer til lagring af brint. Han viser også, at nye materialer med interessante egenskaber kan syntetiseres ved reaktion mellem hydrogen og carbon nano-strukturerede materialer.

Nye bilmotorer, der kører på brint, producerer kun vand som udstødning og er tre til fire gange mere effektive end almindelige forbrændingsmotorer. Kun et "lille" problem hæmmer udviklingen af ​​brintdrevne køretøjer:der er ingen god metode til at lagre tilstrækkelige mængder brint, da det er en gas med meget lav densitet.

Serhiy Luzan dedikerer den første del af sin afhandling til undersøgelser af brintlagring i spændende nye materialetyper:metal-organiske rammer (MOF'er). De består af zink- og koboltbaserede metalklynger forbundet sammen via organiske linkere, og de er ekstremt porøse. Et gram MOF har en brintabsorberende overflade, der er større end en fodboldbane! Snesevis af nye MOF -materialer syntetiseres hvert år, hvilket er meget lovende for den næste generation af brintlagermaterialer.

Serhiy studerede brintoptagelsen af ​​flere nye MOF'er og undersøgte virkningerne af forskellige overfladearealer, poremængder, og poreformer på brintlagringsparametrene. MOF'er kan lagre rekordmængder brint ved meget lave temperaturer, men brintkapaciteten ved stuetemperatur er ikke god nok. Luzan studerede derfor nye metoder til at forbedre denne kapacitet. Tilsætning af metalkatalysatorer er tidligere blevet rapporteret til at forbedre hydrogenlagring betydeligt.

"Men i mit studie, virkningen af ​​tilsætning af metalkatalysatorer på hydrogenabsorption i MOF'er blev ikke bekræftet, "siger Serhihy Luzan.

Brint er ikke kun interessant som brændstof, men også til kemisk ændring af nanostrukturerede kulstofmaterialer, såsom carbon nanorør, fulderener, og grafen. Graphen er et enkelt lag carbonatomer. Carbon nanorør består også af rent kulstof, i form af grafenlag rullet ind i en cylinder. Fullerene, C60, består af tres kulstofatomer arrangeret i figurer med fem eller seks hjørner, ligesom mønsteret på en fodbold. Der er kulstofmaterialer, der er stærkere end stål, lede strøm bedre end kobber, og diffus varme bedre end diamant.

I afhandlingens anden del beskriver Luzan de materialer, han skabte ved reaktion af brint med fullerener og kulnanorør.

Luzan studerede reaktionen mellem fulleren C60 og hydrogen ved forhøjede temperaturer og brintetryk, med og uden tilsætning af metalkatalysatorer. Reaktionen resulterede i dannelse af hydrogenerede fullerener, C60Hx. Ved forlænget brintbehandling, fulderenstrukturen fragmenteret og kollapset. Dette resultat viser, at det er muligt at nedbryde fullerener trinvist i mindre koplignende molekyler, som stabiliseres med hydrogenatomer. Dette er en struktur, der tidligere var vanskelig at opnå.

"Med denne metode, vi burde være i stand til at bruge fullerener som et relativt billigt kildemateriale til at skabe nye molekyler, der forhåbentlig ville bevare interessante egenskaber fra det originale carbon nanomateriale, "siger Serhihy Luzan.

Hydrogeneret grafen (grafan) forventes at være et ideelt materiale til ny carbonbaseret elektronik, men grafan er vanskelig at syntetisere ved en direkte reaktion mellem grafen og hydrogen. Det er meget lettere først at hydrogenere carbon nanorør og derefter at skære dem langs røraksen til såkaldte nanoribbons, som har hydrogen kovalent bundet til overfladen.

Luzans eksperimenter viste, at reaktionen mellem enkelt-væg carbon nanorør og hydrogen er mulig, hvis der anvendes en passende katalysator, og han var i stand til at observere, at nogle af nanorørene blev konverteret til grafen eller grafan -nanoribbons.