Los científicos del Instituto Politécnico Rensselaer están trabajando para optimizar un nuevo nanomaterial prometedor llamado nanocuchillas para su uso en el almacenamiento de hidrógeno. Durante su prueba del nuevo material, han descubierto que puede almacenar y liberar hidrógeno extremadamente rápido y a bajas temperaturas en comparación con materiales similares. Otro aspecto importante del nuevo material es que también es recargable. Estos atributos podrían hacer que sea ideal para su uso en el almacenamiento de hidrógeno a bordo para vehículos de pila de combustible o hidrógeno de próxima generación.

Los resultados sobre el rendimiento de las nanocuchillas se publican en la edición de septiembre de 2011 de The International Journal of Hydrogen Energy en un artículo titulado “Ciclos a baja temperatura de hidrogenación-deshidrogenación de nanocuchillas de Mg decoradas con Pd”. La investigación está patrocinada por la National Science Foundation.

Los científicos crearon las nanocuchillas a base de magnesio por primera vez en 2007. A diferencia de los nanomuelles y varillas tridimensionales, Las nanocuchillas son asimétricas. Son extremadamente delgados en una dimensión y anchos en otra dimensión, creando superficies muy grandes. También se extienden hasta una micra entre cada hoja.

Para almacenar hidrógeno, Se necesita una gran superficie con espacio entre las nanoestructuras para proporcionar espacio para que el material se expanda a medida que se almacenan más átomos de hidrógeno. La vasta superficie y el perfil ultrafino de cada nanocuchilla, junto con los espacios entre cada hoja, podría hacerlos ideales para esta aplicación, según Gwo-Ching Wang, profesor de física, física Aplicada, y astronomía en Rensselaer.

Para crear las nanocuchillas, los investigadores utilizan la deposición de vapor en ángulo oblicuo. Esta técnica de fabricación construye nanoestructuras vaporizando un material, magnesio en este caso, y permitiendo que los átomos vaporizados se depositen en una superficie en un ángulo oblicuo. Luego, el material terminado se decora con un catalizador metálico para atrapar y almacenar hidrógeno. Para esta investigación, las nanocuchillas se recubrieron con paladio.

En su artículo más reciente, los investigadores informan sobre sus pruebas del rendimiento de las nanocuchillas. Comprender cómo responde el material al hidrógeno a lo largo del tiempo es esencial para mejorar el material para su uso futuro en vehículos de hidrógeno. según el investigador postdoctoral y autor principal del nuevo artículo Yu Liu.

“Los requisitos del Departamento de Energía son muy desafiantes para la tecnología de almacenamiento de hidrógeno existente, particularmente cuando se trata de nuevos materiales de almacenamiento de energía para el almacenamiento de hidrógeno a bordo, ”Dijo Liu. “Todos los materiales nuevos deben operar a bajas temperaturas, desorbe hidrógeno rápidamente, ser rentable, y ser reciclable ".

Su trabajo con nanocuchillas ya se muestra prometedor en todas estas áreas, según Wang y Liu.

Lo que encontraron es que las nanocuchillas comenzaron a liberar hidrógeno a 340 grados K ​​(aproximadamente 67 grados Celsius). Cuando la temperatura se incrementó ligeramente a 373 K (100 grados C), el hidrógeno almacenado en las nanocuchillas se liberó en solo 20 minutos. Muchos otros materiales requieren más del doble de esa temperatura para operar a esa velocidad, según Liu.

También encontraron que las nanocuchillas son reciclables. Esto significa que pueden recargarse después de la liberación de hidrógeno y usarse una y otra vez. Esta reutilización es esencial para aplicaciones prácticas.

Usando una técnica llamada difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) y desorción programada por temperatura (TPD), que están equipadas en un sistema integrado de vacío ultra alto con una combinación de una celda de reacción de alta presión y una cámara de deposición de película delgada, encontraron que las nanocuchillas actuales pueden pasar por más de 10 ciclos de absorción y liberación de hidrógeno.

La técnica RHEED es diferente a otros procesos, como la difracción de rayos X, porque supervisa la estructura cercana a la superficie, fase, y tamaño de grano del material a medida que cambia. El seguimiento de la evolución de la superficie del material proporciona información sobre cómo evoluciona la estructura con el tiempo.

Usando RHEED, encontraron que con el tiempo el catalizador se envenena y el magnesio reacciona con el oxígeno. Esto causa oxidación, que finalmente degrada el material provocando cambios tanto morfológicos como químicos en el material.

Ahora trabajarán para optimizar el material con diferentes catalizadores y recubrimientos protectores de polímeros para mejorar el rendimiento y aumentar la cantidad de ciclos que el material puede atravesar sin degradarse.

“Los próximos pasos son mejorar la reciclabilidad, Dijo Wang. “Hemos encontrado la causa fundamental de la degradación del material; ahora podemos empezar a mejorar el material ".