Nyt brændselscelledesign drevet af grafen-omviklede nanokrystaller

Brint er det letteste og mest rigelige grundstof på Jorden og i vores univers. Så det burde ikke være en stor overraskelse, at forskere søger brint som en ren, kulfrit, praktisk talt ubegrænset energikilde til biler og til en række andre formål, fra bærbare generatorer til telekommunikationstårne ​​- med vand som det eneste biprodukt af forbrænding.

Mens der stadig er videnskabelige udfordringer med at gøre brintbaserede energikilder mere konkurrencedygtige med nuværende fremdriftssystemer til biler og andre energiteknologier, forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en ny materialeopskrift til en batterilignende brintbrændselscelle – som omgiver hydrogenabsorberende magnesium nanokrystaller med atomisk tynde grafenplader – for at skubbe dens ydeevne fremad i nøgleordet områder.

Grafenen beskytter nanokrystallerne mod ilt og fugt og forurenende stoffer, mens den er lille, naturlige huller tillader de mindre brintmolekyler at passere igennem. Denne filtreringsproces overvinder almindelige problemer, der forringer ydeevnen af ​​metalhydrider til brintlagring.

Disse grafen-indkapslede magnesiumkrystaller fungerer som "svampe" for brint, tilbyder en meget kompakt og sikker måde at optage og opbevare brint på. Nanokrystallerne tillader også hurtigere brændstofpåfyldning, og reducere den samlede "tank" størrelse.

"Blandt metalhydrid-baserede materialer til brintlagring til brændselscellebilanvendelser, vores materialer har en god ydeevne med hensyn til kapacitet, reversibilitet, kinetik og stabilitet, " sagde Eun Seon Cho, en postdoc-forsker ved Berkeley Lab og hovedforfatter af en undersøgelse relateret til den nye brændselscelleformel, udgivet for nylig i Naturkommunikation .

I et brintbrændselscelledrevet køretøj, der bruger disse materialer, kendt som en "metalhydrid" (brint bundet til et metal) brændselscelle, brintgas pumpet ind i et køretøj ville blive kemisk absorberet af magnesium nanokrystallinsk pulver og gjort sikkert ved lavt tryk.

Jeff Urban, en videnskabsmand og medforfatter fra Berkeley Lab, sagde, "Dette arbejde antyder muligheden for praktisk brintopbevaring og -brug i fremtiden. Jeg tror, ​​at disse materialer repræsenterer en generelt anvendelig tilgang til stabilisering af reaktive materialer, mens de stadig udnytter deres unikke aktivitet - koncepter, der kunne have vidtgående anvendelser for batterier, katalyse, og energiske materialer."

Forskningen, udført på Berkeley Labs Molecular Foundry og Advanced Light Source, er en del af et nationalt laboratoriekonsortium, kaldet HyMARC (Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium), der søger sikrere og mere omkostningseffektiv brintlagring, og Urban er Berkeley Labs ledende videnskabsmand for denne indsats.

Den amerikanske markedsandel for alle elektriske køretøjer i 2015, inklusive fuldelektrisk, hybrider og plug-in hybridbiler, var 2,87 pct. hvilket svarer til omkring 500,- 000 el-drevne køretøjer ud af det samlede bilsalg på omkring 17,4 mio. ifølge statistikker rapporteret af Electric Drive Transportation Association, en brancheforening, der promoverer elektriske køretøjer.

Brint-brændselscelle-køretøjer har endnu ikke gjort større indtog i bilsalget, selvom flere store bilproducenter, herunder Toyota, Honda, og General Motors, har investeret i udvikling af brintbrændselscellekøretøjer. Ja, Toyota udgav en lille-produktionsmodel kaldet Mirai, som bruger komprimerede brinttanke, sidste år i U.S.A.

En potentiel fordel for brint-brændselscelle-køretøjer, ud over deres reducerede miljøpåvirkning i forhold til køretøjer med standardbrændstof, er brints høje specifikke energi, hvilket betyder, at brintbrændselsceller potentielt kan fylde mindre end andre batterisystemer og brændstofkilder, samtidig med at de giver mere elektrisk energi.

Et mål for energilagringskapaciteten pr. vægt af brintbrændselsceller, kendt som "gravimetrisk energitæthed, " er omtrent tre gange så stor som benzin. Urban bemærkede, at denne vigtige ejendom, hvis det bruges effektivt, kunne udvide det samlede køretøjsområde inden for brintbaseret transport, og forlænge tiden mellem tankning for mange andre applikationer, også.

Mere forskning og udvikling er nødvendig for at realisere brintlagring med højere kapacitet til langdistance køretøjsapplikationer, der overstiger ydeevnen af ​​eksisterende elektriske køretøjsbatterier, Cho sagde, og andre applikationer kan være bedre egnet til brintbrændselsceller på kort sigt, såsom stationære strømkilder, gaffeltrucks og lufthavnskøretøjer, bærbare strømkilder som laptop batteriopladere, bærbar belysning, vand- og spildevandspumper og beredskabsudstyr.

Cho sagde, at en vejspærring for metalhydridlagring har været en relativt langsom hastighed med hensyn til at indtage (absorption) og afgive (desorption) brint under cykling af enhederne. I brændselsceller, separate kemiske reaktioner, der involverer brint og oxygen, producerer en strøm af elektroner, der kanaliseres som elektrisk strøm, skabe vand som et biprodukt.

Den lille størrelse af de grafen-indkapslede nanokrystaller skabt på Berkeley Lab, som kun måler omkring 3-4 nanometer, eller milliardtedele af en meter på tværs, er en nøgle i de nye brændselscellematerialers hurtige opsamling og frigivelse af brint, Cho sagde, da de har mere overfladeareal til rådighed for reaktioner, end det samme materiale ville have ved større størrelser.

En anden nøgle er at beskytte magnesium mod udsættelse for luft, hvilket ville gøre det ubrugeligt for brændselscellen, tilføjede hun.

Arbejder hos The Molecular Foundry, forskere fandt en simpel, skalerbar og omkostningseffektiv "one pan"-teknik til at blande grafenpladerne og magnesiumoxid-nanokrystallerne i samme batch. De studerede senere de belagte nanokrystallers struktur ved hjælp af røntgenstråler ved Berkeley Labs Advanced Light Source. Røntgenundersøgelserne viste, hvordan brintgas, der blev pumpet ind i brændselscelleblandingen, reagerede med magnesiumnanokrystallerne for at danne et mere stabilt molekyle kaldet magnesiumhydrid, mens ilten blev udelukket fra at nå magnesium.

"Det er stabilt i luften, hvilket er vigtigt, " sagde Cho.

De næste trin i forskningen vil fokusere på at bruge forskellige typer katalysatorer - som kan forbedre hastigheden og effektiviteten af ​​kemiske reaktioner - for yderligere at forbedre brændselscellens omdannelse af elektrisk strøm, og ved at undersøge, om forskellige typer materiale også kan forbedre brændselscellens samlede kapacitet, sagde Cho.