Forskere siger, at bornitrid-grafenhybrid kan være det rigtige for næste generations grønne biler

Lag af grafen adskilt af nanorørsøjler af bornitrid kan være et egnet materiale til at opbevare brintbrændstof i biler, ifølge Rice University-forskere.

Department of Energy har sat benchmarks for lagermaterialer, der ville gøre brint til et praktisk brændstof til lette køretøjer. Rice lab af materialeforsker Rouzbeh Shahsavari fastslog i en ny beregningsundersøgelse, at søjler bornitrid og grafen kunne være en kandidat.

Undersøgelsen af ​​Shahsavari og Farzaneh Shayeganfar vises i tidsskriftet American Chemical Society Langmuir .

Shahsavaris laboratorium havde allerede ved hjælp af computermodeller bestemt, hvor hårde og modstandsdygtige grafenstrukturer ville være, og senere arbejdede bornitrid nanorør ind i blandingen for at modellere en unik tredimensionel arkitektur. (Der er lavet prøver af bornitrid-nanorør, der er sømløst bundet til grafen.)

Ligesom søjler i en bygning giver plads mellem etagerne til mennesker, søjler i bornitridgrafen giver plads til brintatomer. Udfordringen er at få dem til at komme ind og blive i tilstrækkeligt antal og forlade dem efter behov.

I deres seneste simuleringer af molekylær dynamik, forskerne fandt ud af, at enten søjleformet grafen eller søjlebornitridgrafen ville tilbyde rigeligt overfladeareal (ca. 547 kvadratmeter pr. gram) med gode genanvendelige egenskaber under omgivende forhold. Deres modeller viste, at tilsætning af ilt eller lithium til materialerne ville gøre dem endnu bedre til at binde brint.

De fokuserede simuleringerne på fire varianter:søjlestrukturer af bornitrid eller søjlebornitridgrafen dopet med enten oxygen eller lithium. Ved stuetemperatur og omgivende tryk, oxygen-doteret bornitrid-grafen viste sig at være det bedste, holder 11,6 procent af sin vægt i brint (dens gravimetriske kapacitet) og omkring 60 gram pr. liter (dens volumetriske kapacitet); det slog nemt konkurrerende teknologier som porøst bornitrid, metaloxidrammer og kulstofnanorør.

Ved kølige -321 grader Fahrenheit, materialet holdt 14,77 procent af sin vægt i brint.

Energiministeriets nuværende mål for økonomiske lagringsmedier er evnen til at opbevare mere end 5,5 procent af sin vægt og 40 gram pr. liter i brint under moderate forhold. De ultimative mål er 7,5 vægtprocent og 70 gram pr. liter.

Shahsavari sagde, at brintatomer adsorberet til den udopede, søjleformede bornitridgrafen, takket være svage van der Waals-kræfter. Når materialet var dopet med ilt, atomerne bandt stærkt med hybriden og skabte en bedre overflade for indkommende brint, som Shahsavari sagde, sandsynligvis ville blive leveret under pres og ville forlade, når trykket udløses.

"At tilføje ilt til substratet giver os god binding på grund af ladningernes natur og deres interaktioner, " sagde han. "Oxygen og brint er kendt for at have god kemisk affinitet."

Han sagde, at bornitridets polariserede natur, hvor det binder sig til grafenet, og selve grafenens elektronmobilitet gør materialet meget afstembart til anvendelser.

"Det, vi leder efter, er det søde sted, "Shahsavari sagde, beskriver de ideelle forhold som en balance mellem materialets overfladeareal og vægt, samt driftstemperaturer og -tryk. "Dette er kun praktisk gennem beregningsmodellering, fordi vi kan teste mange variationer meget hurtigt. Det ville tage eksperimentelister måneder at gøre det, der kun tager os dage."

Han sagde, at strukturerne skulle være robuste nok til nemt at overgå Energiministeriets krav om, at en brintbrændstoftank skal kunne modstå 1, 500 opladnings-afladningscyklusser.