Forskere bruger indesluttede nanopartikler til at forbedre ydeevnen for brintlagringsmaterialer

Sommetider, du skal gå småt for at vinde stort. Det er tilgangen et multilab, tværfagligt team tog i brug af nanopartikler og et nyt nanoindeslutningssystem til at udvikle en metode til at ændre brintlagringsegenskaber. Denne opdagelse kunne muliggøre skabelsen af ​​højkapacitets brintlagermaterialer, der er i stand til hurtig tankning, forbedring af ydeevnen af ​​nye brintbrændselscelle-elkøretøjer. Sandia National Laboratories, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), National Institute of Standards and Technology og Mahidol University i Bangkok, Thailand, samarbejdet om forskningen, som blev offentliggjort 8. februar i tidsskriftet Avancerede materialegrænseflader .

Fremskyndelse af optagelse og frigivelse af brint

Brintbrændselscellekøretøjer drives af en elektrokemisk reaktion mellem brint og ilt inde i en brændselscelle. Mens ilt leveres af luft, brinten skal opbevares separat på køretøjet. Nuværende elektriske brændselscellebiler lagrer brint som en højtryksgas.

Et fast materiale kan fungere som en svamp til absorption og frigivelse af brint, i kemiske termer hydrogenering og dehydrogenering. Brug af et sådant brintopbevaringsmateriale kunne således øge, hvor meget brint der kan lagres. Materialet skal være i stand til at opbevare nok brint til, at køretøjet kan køre mindst 300 miles før tankning.

"Der er to kritiske problemer med eksisterende svampe til brintlagring, " sagde Sandia-kemiker Vitalie Stavila. "De fleste kan ikke opsuge nok brint til biler. Også, svampene slipper og absorberer ikke brint hurtigt nok, især sammenlignet med de 5 minutter, der kræves til brændstofpåfyldning."

I denne indsats, Stavila forklarede, det tværfaglige hold af videnskabsmænd arbejdede tæt sammen om syntesen, karakterisering og modellering for at forbedre egenskaberne af lithiumnitrid, en lovende brintlagringssvamp. Holdet udviklede også en grundlæggende forståelse af, hvorfor nanostørrelse forbedrer dette materiales brintlagringsegenskaber.

At begrænse pladsen

Ideen kom fra Mahidol University kandidatstuderende Natchapol "Golf" Poonyayant, der henvendte sig til Sandia med ideen om at bruge nanoindeslutning til at forbedre hydrogenlagringsreaktioner i nitrogenholdige forbindelser. I samarbejde med Sandia-forskerne, Poonyayant, hans rådgiver, Pasit Pakawatpanurut, og anden Mahidol-studerende Natee "Game" Angboonpong fandt ud af, at flydende ammoniak kunne bruges som et skånsomt og effektivt opløsningsmiddel til at indføre metaller og nitrogen i lommerne af kulstofnanopartikler, producerer nanobundne lithiumnitridpartikler.

Det nye materiale, der opstod fra Poonyayants idé, viste nogle usædvanlige og uventede egenskaber. Først, mængden af ​​lithiumnitrid i kulstofnanopartikelværten var ret høj for et nanobegrænset system, omkring 40 pct. Sekund, det nanobundne lithiumnitrid absorberede og frigav brint hurtigere end bulkmaterialet. Desuden, når lithiumnitridet var blevet hydrogeneret, det frigav også brint i kun et trin og meget hurtigere end bulksystemet, der tog to trin.

"Med andre ord, de kemiske veje for både brintabsorption og frigivelse i dette brintlagermateriale blev dramatisk ændret til det bedre, " sagde Sandia-kemiker Lennie Klebanoff.

Forstå puslespillet

For bedre at forstå den mekanisme, der er ansvarlig for denne forbedring, Sandia-forskerne nåede ud til beregningsforskeren Brandon Wood fra LLNL, en førende ekspert i teorien om faststofreaktioner. Wood og hans LLNL-kolleger Tae Wook Heo, Jonathan Lee og Keith Ray opdagede, at årsagen til den usædvanlige adfærd var energien forbundet med to materielle grænseflader.

Da lithiumnitrid-nanopartiklerne kun er 3 nanometer brede, selv den mindste energimæssigt ugunstige proces undgås i brintlagringsegenskaberne. For lithiumnitrid-nanopartikler, der gennemgår hydrogeneringsreaktioner, undgåelse af ugunstige mellemprodukter - ekstra trin i den kemiske proces - øger effektiviteten.

At tage den mindste modstands vej, materialet gennemgår en enkelt-trins vej til fuld hydrogenering. Tilsvarende en gang hydrogeneret, nanopartiklerne frigiver brint via den laveste energivej, der er tilgængelig, hvilket i dette tilfælde er direkte brintfrigivelse tilbage til lithiumnitrid.

"På denne måde nanogrænsefladerne driver brintlagringsegenskaberne, når materialerne er lavet meget små, for eksempel med nanoindeslutning, " sagde Wood. "Den målrettede kontrol af nanogrænseflader tilbyder en ny måde at optimere hydrogenlagringsreaktionskemi på."

Det næste skridt

Ifølge Sandia og LLNL-forskerne, det næste trin er yderligere at forstå, hvordan de dehydrerede og hydrogenerede faser af lithiumnitrid ændrer sig på nanoskala. Dette er en hård udfordring for holdet, da det kræver billeddannelse af forskellige kemiske faser i en partikel, der kun er flere nanometer bred.

Holdet vil trække på mulighederne i DOE's Hydrogen Storage Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), ledet af Sandia og bestod desuden af ​​forskere fra LLNL og Lawrence Berkeley National Laboratory. Holdet planlægger at bruge rumligt opløst synkrotronstråling fra LBNL's Advanced Light Source til at undersøge grænsefladekemi og struktur.

Ud over, da den nanoporøse kulstofvært er "dødvægt" fra et brintlagringsperspektiv, holdet undersøger måder at "lette belastningen" og finde kulstofmaterialer med flere nanopommer til en given kulstofmasse.

"Vi er begejstrede for dette tekniske fremskridt og spændte på at påtage os det kommende arbejde, sagde Klebanoff. Men det er bittersødt. Golf, som inspirerede dette arbejde og udførte mange af synteserne, døde tragisk i en alder af 25 under skrivningen af ​​dette papir. Verden har mistet en talentfuld ung mand, og vi har mistet en kær ven, som vi savner. Dette værk og dets offentliggjorte beretning er dedikeret til Golf og hans familie."