Micrografías electrónicas de transmisión de un compuesto estable al aire compuesto por nanocristales metálicos de magnesio en una matriz de polímero de barrera de gas que permite el almacenamiento de alta densidad y la rápida liberación de hidrógeno sin la necesidad de pesado, catalizadores metálicos caros. Crédito:Imágenes del Centro Nacional de Microscopía Electrónica.
Desde la década de 1970, El hidrógeno se ha promocionado como una alternativa prometedora a los combustibles fósiles debido a su combustión limpia, a diferencia de los combustibles a base de hidrocarburos, que arrojan gases de efecto invernadero y contaminantes nocivos, El único subproducto de la combustión del hidrógeno es el agua. Comparado con la gasolina, el hidrógeno es liviano, puede proporcionar una densidad de energía más alta y está fácilmente disponible. Pero hay una razón por la que aún no vivimos en una economía de hidrógeno:para reemplazar la gasolina como combustible, el hidrógeno debe almacenarse de forma segura y densa, pero de fácil acceso. Limitado por materiales incapaces de superar estos obstáculos conflictivos, La tecnología de almacenamiento de hidrógeno se ha quedado a la zaga de otros candidatos a energías limpias.
En años recientes, Los investigadores han intentado abordar ambos problemas bloqueando el hidrógeno en sólidos, empaquetar cantidades más grandes en volúmenes más pequeños con baja reactividad, una necesidad para mantener estable este gas volátil. Sin embargo, la mayoría de estos sólidos solo pueden absorber una pequeña cantidad de hidrógeno y requieren un calentamiento o enfriamiento extremos para aumentar su eficiencia energética general.
Ahora, Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) (Berkeley Lab) han diseñado un nuevo material compuesto para el almacenamiento de hidrógeno que consiste en nanopartículas de magnesio metálico rociadas a través de una matriz de polimetilmetacrilato, un polímero relacionado con el plexiglás. Este nanocompuesto flexible absorbe y libera rápidamente hidrógeno a temperaturas moderadas sin oxidar el metal después del ciclo, un gran avance en el diseño de materiales para el almacenamiento de hidrógeno. baterías y pilas de combustible.
"Este trabajo muestra nuestra capacidad para diseñar materiales compuestos a nanoescala que superan las barreras termodinámicas y cinéticas fundamentales para lograr una combinación de materiales que históricamente ha sido muy esquiva, "dice Jeff Urban, Director Adjunto de la Instalación de Nanoestructuras Inorgánicas en la Fundición Molecular, un centro de nanociencia de la Oficina de Ciencias del DOE y una instalación nacional para usuarios ubicada en Berkeley Lab. "Es más, somos capaces de aprovechar productivamente las propiedades únicas tanto del polímero como de la nanopartícula en este nuevo material compuesto, que puede tener una amplia aplicabilidad a problemas relacionados en otras áreas de la investigación energética ".
Urbano, junto con los coautores Ki-Joon Jeon y Christian Kisielowski utilizaron el microscopio TEAM 0.5 en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM), otra instalación nacional para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab, para observar nanocristales de magnesio individuales dispersos por todo el polímero. Con las capacidades de imágenes de alta resolución de TEAM 0.5, el microscopio electrónico más potente del mundo, Los investigadores también pudieron rastrear defectos (vacantes atómicas en un marco cristalino ordenado de otra manera), proporcionando una visión sin precedentes del comportamiento del hidrógeno dentro de esta nueva clase de materiales de almacenamiento.
Este esquema muestra nanocristales de magnesio de alta capacidad encapsulados en una matriz de polímero de barrera a los gases para crear un nuevo y revolucionario material compuesto de almacenamiento de hidrógeno. Crédito:Imagen de Jeff Urban
"Descubrir nuevos materiales que podrían ayudarnos a encontrar una solución de energía más sostenible es el núcleo de la misión del Departamento de Energía. Nuestro laboratorio proporciona experimentos excepcionales para respaldar esta misión con gran éxito, ", dice Kisielowski." Confirmamos la presencia de hidrógeno en este material a través de investigaciones espectroscópicas dependientes del tiempo con el microscopio TEAM 0.5. Esta investigación sugiere que incluso se puede intentar obtener imágenes directas de columnas de hidrógeno en tales materiales utilizando el microscopio TEAM ".
"La naturaleza única de Berkeley Lab fomenta las colaboraciones entre divisiones sin limitaciones, "dijo Jeon, ahora en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, cuyo trabajo postdoctoral con Urban dio lugar a esta publicación.
Para investigar la absorción y liberación de hidrógeno en su material nanocompuesto, el equipo se dirigió a la División de Tecnologías Ambientales y Energéticas de Berkeley Lab (EETD), cuya investigación tiene como objetivo el desarrollo de tecnologías más respetuosas con el medio ambiente para la generación y almacenamiento de energía, incluido el almacenamiento de hidrógeno.
"Aquí en EETD, Hemos estado trabajando en estrecha colaboración con la industria para mantener una instalación de almacenamiento de hidrógeno, así como para desarrollar protocolos de prueba de propiedades de almacenamiento de hidrógeno. "dice Samuel Mao, director del Laboratorio de Energía Limpia en Berkeley Lab y miembro adjunto de la facultad de ingeniería en la Universidad de California (UC), Berkeley. "Disfrutamos mucho de esta colaboración con Jeff y su equipo en la División de Ciencias de los Materiales, donde desarrollaron y sintetizaron este nuevo material, y luego pudieron usar nuestras instalaciones para su investigación de almacenamiento de hidrógeno ".
Agrega Urban, "Esta ciencia ambiciosa se encuentra en una posición única para ser seguida dentro del fuerte espíritu colaborativo aquí en Berkeley Lab. Los éxitos que logramos dependen fundamentalmente de los estrechos vínculos entre la microscopía de vanguardia en NCEM, herramientas y experiencia de EETD, y el know-how de caracterización y materiales de MSD ".
