Ny undersøgelse af grafen-indpakkede nanokrystaller gør indhug i næste generations brændselsceller

En pulveragtig blanding af metal nanokrystaller pakket ind i enkeltlags plader af kulstofatomer, udviklet ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), viser løfte om sikker opbevaring af brint til brug med brændselsceller til personbiler og andre formål. Og nu, en ny undersøgelse giver indsigt i de atomare detaljer i krystallernes ultratynde belægning, og hvordan den tjener som selektiv afskærmning, mens den forbedrer deres ydeevne ved brintlagring.

Studiet, ledet af Berkeley Lab-forskere, trak på en række laboratorieekspertise og -kapaciteter til at syntetisere og belægge magnesiumkrystallerne, som kun måler 3-4 nanometer (milliarddele af en meter) på tværs; studere deres kemiske sammensætning på nanoskala med røntgenstråler; og udvikle computersimuleringer og understøttende teorier for bedre at forstå, hvordan krystallerne og deres kulstofbelægning fungerer sammen.

Videnskabsholdets resultater kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan lignende belægninger også kan forbedre ydeevnen og stabiliteten af ​​andre materialer, der viser lovende anvendelser for brintlagring. Forskningsprojektet er en af ​​flere indsatser inden for en multi-lab R&D-indsats kendt som Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium (HyMARC) etableret som en del af Energy Materials Network af US Department of Energy's Fuel Cell Technologies Office i Office of Energy Effektivitet og vedvarende energi.

Reduceret grafenoxid (eller rGO), som ligner den mere berømte grafen (et udvidet ark kulstof, kun et atom tykt, opstillet i et bikagemønster), har huller i nanoskala, der tillader brint at passere igennem, mens de holder større molekyler i skak.

Denne kulstofindpakning var beregnet til at forhindre magnesium - som bruges som et brintopbevaringsmateriale - i at reagere med dets omgivelser, inklusive ilt, vanddamp og kuldioxid. Sådanne eksponeringer kunne producere en tyk belægning af oxidation, der ville forhindre det indkommende brint i at få adgang til magnesiumoverfladerne.

Men den seneste undersøgelse tyder på, at der dannes et atomisk tyndt lag af oxidation på krystallerne under deres forberedelse. Og, endnu mere overraskende, dette oxidlag ser ikke ud til at forringe materialets ydeevne.

"Tidligere vi syntes, materialet var meget godt beskyttet, " sagde Liwen Wan, en postdoc forsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, et DOE Nanoscale Science Research Center, der fungerede som undersøgelsens hovedforfatter. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nano bogstaver tidsskrift. "Fra vores detaljerede analyse, vi så nogle tegn på oxidation."

Wan tilføjede, "De fleste mennesker ville have mistanke om, at oxidlaget er dårlige nyheder for brintlagring, hvilket det viser sig måske ikke er sandt i dette tilfælde. Uden dette oxidlag, det reducerede grafenoxid ville have en ret svag interaktion med magnesium, men med oxidlaget synes kulstof-magnesium-bindingen at være stærkere.

"Det er en fordel, der i sidste ende forbedrer beskyttelsen fra kulstofbelægningen, " bemærkede hun. "Der ser ikke ud til at være nogen ulempe."

David Prendergast, direktør for Molecular Foundry's Theory Facility og en deltager i undersøgelsen, bemærkede, at den nuværende generation af brintdrevne køretøjer driver deres brændselscellemotorer ved hjælp af komprimeret brintgas. "Dette kræver store, tunge cylindriske tanke, der begrænser køreeffektiviteten af ​​sådanne biler, " han sagde, og nanokrystallerne tilbyder en mulighed for at eliminere disse voluminøse tanke ved at opbevare brint i andre materialer.

Undersøgelsen var også med til at vise, at det tynde oxidlag ikke nødvendigvis hindrer den hastighed, hvormed dette materiale kan optage brint, hvilket er vigtigt, når du skal tanke hurtigt. Dette fund var også uventet baseret på den konventionelle forståelse af den blokerende rolle, oxidation typisk spiller i disse brintlagringsmaterialer.

Det betyder de indpakkede nanokrystaller, i en brændstofopbevarings- og forsyningssammenhæng, ville kemisk absorbere indpumpet brintgas med en meget højere densitet end muligt i en brændstoftank med komprimeret brint ved samme tryk.

De modeller, som Wan udviklede for at forklare de eksperimentelle data, tyder på, at oxidationslaget, der dannes omkring krystallerne, er atomisk tyndt og er stabilt over tid, tyder på, at oxidationen ikke skrider frem.

Analysen var baseret på delvis, omkring eksperimenter udført på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en røntgenkilde kaldet en synkrotron, der tidligere blev brugt til at udforske, hvordan nanokrystallerne interagerer med brintgas i realtid.

Wan sagde, at en nøgle til undersøgelsen var at fortolke ALS røntgendata ved at simulere røntgenmålinger for hypotetiske atommodeller af det oxiderede lag, og derefter vælge de modeller, der passer bedst til dataene. "Derfra ved vi, hvordan materialet rent faktisk ser ud, " hun sagde.

Mens mange simuleringer er baseret på meget rene materialer med rene overflader, Wan sagde, i dette tilfælde var simuleringerne beregnet til at være mere repræsentative for nanokrystallernes ufuldkommenheder i den virkelige verden.

Et næste skridt, i både eksperimenter og simuleringer, er at bruge materialer, der er mere ideelle til virkelige brintlagringsapplikationer, Wan sagde, såsom komplekse metalhydrider (brint-metalforbindelser), der også ville blive pakket ind i et beskyttende ark af grafen.

"Ved at gå til komplekse metalhydrider, du får en iboende højere brintlagringskapacitet, og vores mål er at muliggøre brintoptagelse og frigivelse ved rimelige temperaturer og tryk, " sagde Wan.

Nogle af disse komplekse metalhydridmaterialer er ret tidskrævende at simulere, og forskerholdet planlægger at bruge supercomputerne på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) til dette arbejde.

"Nu hvor vi har en god forståelse af magnesium nanokrystaller, vi ved, at vi kan overføre denne evne til at se på andre materialer for at fremskynde opdagelsesprocessen, " sagde Wan.