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  • Materiales de mayor capacidad, la eficiencia podría bajar el listón de la tecnología del hidrógeno

    Los investigadores de Sandia Vitalie Stavila, izquierda, y Mark Allendorf forman parte de un consorcio de varios laboratorios para avanzar en los materiales de almacenamiento para el futuro transporte impulsado por hidrógeno. Crédito:Dino Vournas

    El hidrógeno como fuente de energía libre de carbono podría expandirse a una variedad de sectores, incluidos los procesos industriales, calefacción y transporte del edificio. En la actualidad, impulsa una creciente flota de vehículos de emisión cero, incluidos los trenes en Alemania, autobuses en Corea del Sur, automóviles en California y montacargas en todo el mundo. Estos vehículos utilizan una pila de combustible para combinar gases de hidrógeno y oxígeno, produciendo electricidad que acciona un motor. El vapor de agua es su única emisión.

    Para que el hidrógeno continúe creciendo y cambiando los sectores de la economía, se necesita nueva infraestructura. Los automóviles impulsados ​​por hidrógeno almacenan gas hidrógeno a bordo a una presión 700 veces mayor que la presión atmosférica para conducir tan lejos como los vehículos de gasolina convencionales. Si bien esta tecnología ha permitido la comercialización de automóviles propulsados ​​por hidrógeno, no puede cumplir con los desafiantes objetivos de densidad de energía establecidos por el Departamento de Energía de EE. UU.

    Con el apoyo de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible de la Oficina de Energía Renovable y Eficiencia Energética del DOE, el Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC), una colaboración de varios laboratorios, está desarrollando dos tipos de materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con esos objetivos federales. En la primera fase de su trabajo, el grupo identificó estrategias e hizo una investigación fundamental para aumentar la capacidad de almacenamiento de estructuras organometálicas y aumentar la eficiencia de almacenamiento de hidruros metálicos.

    Ahora, la colaboración recientemente ampliada está utilizando las estrategias más prometedoras para optimizar los materiales para su uso futuro en vehículos, potencialmente ofreciendo sistemas de almacenamiento a bordo más compactos, presiones operativas reducidas y ahorros de costos significativos.

    "Esos beneficios podrían ayudar a que haya más vehículos de pila de combustible en la carretera al permitir una experiencia de conducción similar a la de los vehículos convencionales. "dijo Mark Allendorf, investigador de Sandia National Laboratories y codirector del consorcio HyMARC.

    El consorcio ahora está explorando formas de extraer hidrógeno de forma reversible de las moléculas, como el etanol. Estos portadores de hidrógeno molecular serían más fáciles de transportar a las estaciones de servicio que el gas hidrógeno, aumentando la eficiencia del suministro de combustible y reduciendo el costo de los vehículos propulsados ​​por hidrógeno, así como otras aplicaciones. Los avances en materiales avanzados de almacenamiento de hidrógeno que salen de HyMARC también respaldarán la iniciativa H2 @ Scale de DOE para permitir la producción de hidrógeno a gran escala asequible. almacenamiento, transporte y utilización en múltiples sectores.

    El consorcio continúa

    Desde 2015, investigadores de Sandia, Los laboratorios nacionales Lawrence Berkeley y Lawrence Livermore se han centrado en dos tipos principales de materiales de almacenamiento de hidrógeno para aprender cómo su forma, la estructura y la composición química afectan su desempeño. El consorcio HyMARC ha agregado investigadores en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, SLAC National Accelerator Laboratory y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

    El grupo ampliado recibió recientemente una segunda ronda de financiación de la Oficina de Energía Renovable y Eficiencia Energética del DOE para abordar los problemas de rendimiento que impiden que los materiales más prometedores alcancen los objetivos federales de almacenamiento de hidrógeno. Para hacer eso, los investigadores han identificado los desafíos más relevantes que ralentizan el ritmo de la innovación en materiales de almacenamiento de hidrógeno. Luego, desarrollan herramientas para abordar esos desafíos, incluyendo formas confiables de hacer los materiales, nuevos modelos informáticos para predecir las propiedades de los materiales que influyen en su rendimiento de almacenamiento y nuevos métodos de medición para adaptarse a la alta reactividad de algunos materiales con la humedad y el oxígeno. "HyMARC pone estas herramientas a disposición de otros laboratorios que las aplican a materiales específicos, ", Dijo Allendorf." También colaboramos con ellos para facilitar su investigación ".

    Temperatura de domesticación

    La primera clase de materiales de interés para HyMARC se llama sorbentes. Estos materiales tienen poros diminutos que actúan como esponjas para adsorber y retener gas hidrógeno en sus superficies. Estos poros crean un material con una gran superficie, y por lo tanto espacio de almacenamiento. Un gramo de material puede tener la misma superficie que un campo de fútbol completo.

    Eso conduce a un efecto práctico inesperado:los materiales porosos, en teoría, pueden contener más hidrógeno que un tanque de combustible a alta presión, dijo Vitalie Stavila, un químico de Sandia. Sin embargo, debido a que el gas hidrógeno interactúa débilmente con las paredes de los poros, gran parte de ese espacio de almacenamiento no se utiliza. Estos materiales funcionan mejor a temperaturas criogénicas demasiado bajas para un uso práctico.

    Los sorbentes de mejor rendimiento son materiales denominados armazones organometálicos, o MOF. En estos materiales, los enlazadores rígidos hechos de átomos de carbono conectan iones metálicos individuales como las barras en un gimnasio en la jungla de un patio de recreo. Para aumentar la cantidad de hidrógeno almacenado en los materiales, el consorcio recomienda agregar elementos que atrapen hidrógeno como boro o nitrógeno en los enlazadores de carbono que forman las paredes de los poros.

    Los miembros del equipo también han desarrollado MOF en los que más de una molécula de hidrógeno puede adherirse a un ión metálico en el marco. Junto con una mayor capacidad de almacenamiento, estos materiales interactúan con el hidrógeno con más fuerza. Prácticamente, esto significa que el gas se adhiere a las paredes de los poros a temperaturas más altas.

    Las nanoestructuras aumentan la eficiencia del almacenamiento

    La segunda clase de materiales de almacenamiento de hidrógeno prometedores son los hidruros metálicos, un material que los investigadores de Sandia han estado haciendo durante décadas. En estos materiales, Los iones metálicos retienen hidrógeno con enlaces químicos. Romper estos enlaces permite que se libere gas hidrógeno para su uso en una celda de combustible.

    Sin embargo, estos materiales forman fuertes enlaces con el hidrógeno, y se requiere energía para liberar el gas almacenado. Reducir el tamaño de las partículas de hidruro de granos macroscópicos a nanoclusters más de diez mil veces más pequeños que el ancho de un cabello humano hace que el material sea mucho más reactivo. lo que le permite liberar hidrógeno a temperaturas más bajas. Stavila y sus colegas utilizan materiales porosos, como MOF o carbono poroso, como plantillas para controlar el tamaño del clúster y evitar que se agrupen.

    "Aprendimos durante la primera fase de HyMARC que la fabricación de hidruros metálicos nanoestructurados nos permite ajustar la fuerza de los enlaces formados con el hidrógeno y cambiar la rapidez con que el hidrógeno se adhiere y sale de la superficie". "Esto significa que se necesita menos energía para liberar el gas", dijo Stavila.

    Los investigadores están probando los hidruros a nanoescala en busca de características, como la reversibilidad del almacenamiento y la capacidad de almacenamiento utilizable, que son importantes para aplicaciones futuras. "Estamos generando confianza en que los hidruros a nanoescala pueden ser materiales de almacenamiento prácticos, "Dijo Stavila.

    El grupo también está utilizando una técnica informática llamada aprendizaje automático para identificar rápidamente las propiedades físicas de estos materiales de almacenamiento que se correlacionan con el rendimiento necesario para alcanzar los objetivos federales. Su enfoque les permite comprender cómo la computadora identificó sus predicciones. "Estamos generando conocimientos científicos para crear una nueva intuición de cómo se comportan estos materiales, "Dijo Allendorf.

    "La identificación de materiales de almacenamiento de hidrógeno que puedan cumplir con todos los objetivos del DOE es un paso esencial hacia la transición a una futura economía del hidrógeno, " él dijo.

    Para vehículos propulsados ​​por hidrógeno, Cumplir con esos objetivos para los materiales de almacenamiento significa que dichos vehículos podrían tener áreas de conducción, tiempos de repostaje y costes de combustible similares a los de los vehículos convencionales.

    "Aunque los desafíos técnicos son grandes, "Allendorf dijo, "El equipo de HyMARC está muy motivado por la importancia de su función y por sus descubrimientos recientes que señalan el camino hacia materiales exitosos".


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