Tusinder af timers beregninger på Rice Universitys to hurtigste supercomputere fandt ud af, at den optimale arkitektur til at pakke brint ind i "hvid grafen" involverer at lave skyskraberlignende rammer af lodrette søjler og endimensionelle gulve, der er omkring 5,2 ångstrøm fra hinanden. I denne illustration, brintmolekyler (hvide) sidder mellem arklignende gulve af grafen (grå), der er understøttet af bornitrid-søjler (pink og blå). Forskere fandt ud af, at identiske strukturer udelukkende lavet af bornitrid havde en hidtil uset kapacitet til at opbevare let tilgængeligt brint. Kredit:Lei Tao/Rice University
Rice Universitys ingeniører har sat fokus på den optimale arkitektur til lagring af brint i "hvid grafen" nanomaterialer - et design som en Lilliputian skyskraber med "gulve" af bornitrid, der sidder oven på hinanden og holdt præcis 5,2 ångstrøm fra hinanden af bornitrid-søjler.
Resultaterne fremgår af journalen Lille .
"Motivationen er at skabe et effektivt materiale, der kan optage og indeholde meget brint - både i volumen og vægt - og som hurtigt og nemt kan frigive det brint, når det er nødvendigt, " sagde undersøgelsens hovedforfatter, Rouzbeh Shahsavari, adjunkt i civil- og miljøteknik ved Rice.
Brint er det letteste og mest udbredte grundstof i universet, og dets energi-til-masse-forhold - mængden af tilgængelig energi pr. pund råmateriale, for eksempel - langt overstiger fossile brændstoffer. Det er også den reneste måde at generere elektricitet på:Det eneste biprodukt er vand. En rapport fra 2017 fra markedsanalytikere hos BCC Research viste, at den globale efterspørgsel efter brintlagringsmaterialer og -teknologier sandsynligvis vil nå 5,4 milliarder dollars årligt i 2021.
Brints primære ulemper vedrører portabilitet, opbevaring og sikkerhed. Mens store mængder kan opbevares under højt tryk i underjordiske saltkupler og specialdesignede tanke, små UN-tanke - svarende til en bilgastank - har hidtil unddraget ingeniører.
Efter måneders beregninger på to af Rices hurtigste supercomputere, Shahsavari og Rice kandidatstuderende Shuo Zhao fandt den optimale arkitektur til at opbevare brint i bornitrid. En form for materialet, sekskantet bornitrid (hBN), består af atomtykke plader af bor og nitrogen og kaldes nogle gange hvid grafen, fordi atomerne er placeret nøjagtigt som kulstofatomer i flade plader af grafen.
Tidligere arbejde i Shahsavari's Multiscale Materials Lab fandt ud af, at hybridmaterialer af grafen og bornitrid kunne indeholde nok brint til at opfylde Department of Energy's opbevaringsmål for lette brændselscellekøretøjer.
"Valget af materiale er vigtigt, " sagde han. "Boronitrid har vist sig at være bedre med hensyn til brintabsorption end ren grafen, kulstof nanorør eller hybrider af grafen og bornitrid.
"Men afstanden og arrangementet af hBN plader og søjler er også kritisk, " sagde han. "Så vi besluttede at udføre en udtømmende søgning af alle mulige geometrier af hBN for at se, hvilken der virkede bedst. Vi udvidede også beregningerne til at omfatte forskellige temperaturer, tryk og dopingmidler, sporstoffer, der kan tilsættes bornitridet for at øge dets brintlagringskapacitet."
Zhao og Shahsavari oprettede adskillige "ab initio" tests, computersimuleringer, der brugte fysikkens første principper. Shahsavari sagde, at tilgangen var beregningsmæssig intens, men den ekstra indsats værd, fordi den gav den mest præcision.
"Vi gennemførte næsten 4, 000 ab initio-beregninger for at prøve at finde det søde sted, hvor materialet og geometrien går hånd i hånd og virkelig arbejder sammen for at optimere brintlagring, " han sagde.
I modsætning til materialer, der lagrer brint gennem kemisk binding, Shahsavari sagde bornitrid er en sorbent, der holder hydrogen gennem fysiske bindinger, som er svagere end kemiske bindinger. Det er en fordel, når det kommer til at få brint ud af lageret, fordi sorberende materialer har en tendens til at udledes lettere end deres kemiske fætre, sagde Shahsavari.
Han sagde, at valget af bornitridplader eller -rør og den tilsvarende afstand mellem dem i overbygningen var nøglen til at maksimere kapaciteten.
"Uden søjler, lagnerne sidder naturligt oven på hinanden omkring 3 ångstrøm fra hinanden, og meget få brintatomer kan trænge igennem det rum, " sagde han. "Da afstanden voksede til 6 ångstrøm eller mere, kapaciteten faldt også. Ved 5,2 ångstrøm, der er en kooperativ attraktion fra både loft og gulv, og brinten har tendens til at klumpe sig i midten. Omvendt modeller lavet af rent BN-rør - ikke plader - havde mindre lagerkapacitet."
Shahsavari sagde, at modeller viste, at de rene hBN-rørpladestrukturer kunne indeholde 8 vægtprocent brint. (Vægtprocent er et mål for koncentration, svarer til dele pr. million.) Fysiske eksperimenter er nødvendige for at verificere denne kapacitet, men at DOE's ultimative mål er 7,5 vægtprocent, og Shahsavaris modeller tyder på, at endnu mere brint kan lagres i hans struktur, hvis spormængder af lithium tilsættes til hBN.
Endelig, Shahsavari sagde, uregelmæssigheder i lejligheden, gulvlignende plader af strukturen kan også vise sig nyttige for ingeniører.
"Rynker dannes naturligt i pladerne af søjleformet bornitrid på grund af arten af samlingerne mellem søjlerne og gulvene, " sagde han. "Faktisk, dette kan også være fordelagtigt, fordi rynkerne kan give sejhed. Hvis materialet udsættes for belastning eller stød, den spændte form kan let løsnes uden at gå i stykker. Dette kan øge materialets sikkerhed, hvilket er en stor bekymring i brintlagringsenheder.
"Desuden, den høje termiske ledningsevne og fleksibilitet af BN kan give yderligere muligheder for at kontrollere adsorptions- og frigivelseskinetikken on-demand, " sagde Shahsavari. "F.eks. det kan være muligt at styre frigivelseskinetikken ved at påføre en ekstern spænding, varme eller et elektrisk felt."