El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante de la Tierra y de nuestro universo. Por lo tanto, no debería ser una gran sorpresa que los científicos estén buscando el hidrógeno como un libre de carbono fuente de energía prácticamente ilimitada para automóviles y para una variedad de otros usos, desde generadores portátiles hasta torres de telecomunicaciones, con el agua como único subproducto de la combustión.

Si bien persisten desafíos científicos para hacer que las fuentes de energía basadas en hidrógeno sean más competitivas con los sistemas de propulsión automotriz actuales y otras tecnologías energéticas, Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) han desarrollado una nueva receta de materiales para una celda de combustible de hidrógeno similar a una batería, que rodea nanocristales de magnesio que absorben hidrógeno con láminas de grafeno atómicamente delgadas, para impulsar su rendimiento en clave áreas.

El grafeno protege los nanocristales del oxígeno, la humedad y los contaminantes. mientras es pequeño, los agujeros naturales permiten el paso de las moléculas de hidrógeno más pequeñas. Este proceso de filtrado supera los problemas comunes que degradan el rendimiento de los hidruros metálicos para el almacenamiento de hidrógeno.

Estos cristales de magnesio encapsulados en grafeno actúan como "esponjas" de hidrógeno, ofreciendo una forma muy compacta y segura de absorber y almacenar hidrógeno. Los nanocristales también permiten un repostaje más rápido, y reducir el tamaño total del "tanque".

"Entre los materiales a base de hidruro metálico para el almacenamiento de hidrógeno para aplicaciones de vehículos con pilas de combustible, nuestros materiales tienen un buen rendimiento en términos de capacidad, reversibilidad, cinética y estabilidad, "dijo Eun Seon Cho, investigador postdoctoral en Berkeley Lab y autor principal de un estudio relacionado con la nueva fórmula de pila de combustible, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .

En un vehículo propulsado por una pila de combustible de hidrógeno que utilice estos materiales, conocida como pila de combustible de "hidruro metálico" (hidrógeno unido a un metal), El gas de hidrógeno bombeado a un vehículo sería absorbido químicamente por el polvo nanocristalino de magnesio y se volvería seguro a bajas presiones.

Jeff Urban, un científico y coautor del personal de Berkeley Lab, dijo, "Este trabajo sugiere la posibilidad de almacenamiento y uso práctico de hidrógeno en el futuro. Creo que estos materiales representan un enfoque de aplicación general para estabilizar materiales reactivos y, al mismo tiempo, aprovechar su actividad única:conceptos que podrían tener aplicaciones de amplio alcance para baterías, catálisis, y materiales energéticos ".

La investigación, realizado en la fundición molecular y la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, es parte de un Consorcio Nacional de Laboratorios, denominado HyMARC (Materiales de hidrógeno — Consorcio de investigación avanzada) que busca un almacenamiento de hidrógeno más seguro y rentable, y Urban es el científico principal de Berkeley Lab para ese esfuerzo.

La cuota de mercado de EE. UU. Para todos los vehículos de propulsión eléctrica en 2015, incluyendo completamente eléctrico, híbridos y vehículos híbridos enchufables, fue del 2,87 por ciento, que asciende a alrededor de 500, 000 vehículos de propulsión eléctrica de un total de ventas de vehículos de unos 17,4 millones, según las estadísticas informadas por la Asociación de transporte de propulsión eléctrica, una asociación comercial que promueve los vehículos eléctricos.

Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno aún no han hecho grandes avances en las ventas de vehículos, aunque varios de los principales fabricantes de automóviles, incluido Toyota, Honda, y General Motors, han invertido en el desarrollo de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno. En efecto, Toyota lanzó un modelo de pequeña producción llamado Mirai, que utiliza tanques de hidrógeno comprimido, el año pasado en los EE. UU.

Una ventaja potencial para los vehículos con pilas de combustible de hidrógeno, además de su reducido impacto medioambiental sobre los vehículos de combustible estándar, es la alta energía específica del hidrógeno, lo que significa que las celdas de combustible de hidrógeno pueden potencialmente soportar menos peso que otros sistemas de baterías y fuentes de combustible al tiempo que producen más energía eléctrica.

Una medida de la capacidad de almacenamiento de energía por peso de las pilas de combustible de hidrógeno, conocida como "densidad de energía gravimétrica, "es aproximadamente tres veces mayor que la gasolina. Urban señaló que esta importante propiedad, si se usa efectivamente, podría ampliar la gama total de vehículos de transporte a base de hidrógeno, y extender el tiempo entre repostar combustible para muchas otras aplicaciones, también.

Se necesita más I + D para realizar un almacenamiento de hidrógeno de mayor capacidad para aplicaciones de vehículos de largo alcance que superen el rendimiento de las baterías de vehículos eléctricos existentes. Cho dijo, y otras aplicaciones pueden ser más adecuadas para las pilas de combustible de hidrógeno a corto plazo, como fuentes de energía estacionarias, carretillas elevadoras y vehículos aeroportuarios, fuentes de energía portátiles como cargadores de baterías para portátiles, iluminación portátil, bombas de agua y alcantarillado y equipos de servicios de emergencia.

Cho dijo que un obstáculo para el almacenamiento de hidruros metálicos ha sido una tasa relativamente lenta en la absorción (absorción) y la liberación (desorción) de hidrógeno durante el ciclo de las unidades. En pilas de combustible, reacciones químicas separadas que involucran hidrógeno y oxígeno producen un flujo de electrones que se canalizan como corriente eléctrica, creando agua como subproducto.

El diminuto tamaño de los nanocristales encapsulados en grafeno creados en Berkeley Lab, que miden solo alrededor de 3-4 nanómetros, o mil millonésimas de metro de ancho, es clave en la rápida captura y liberación de hidrógeno de los nuevos materiales para pilas de combustible, Cho dijo, ya que tienen más área de superficie disponible para reacciones que la que tendría el mismo material en tamaños más grandes.

Otra clave es proteger el magnesio de la exposición al aire. que lo inutilizaría para la pila de combustible, ella añadió.

Trabajando en The Molecular Foundry, los investigadores encontraron una simple, técnica escalable y rentable de "una bandeja" para mezclar las láminas de grafeno y los nanocristales de óxido de magnesio en el mismo lote. Más tarde estudiaron la estructura de los nanocristales recubiertos utilizando rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. Los estudios de rayos X mostraron cómo el gas de hidrógeno bombeado a la mezcla de la celda de combustible reaccionaba con los nanocristales de magnesio para formar una molécula más estable llamada hidruro de magnesio mientras bloquea el oxígeno para que no llegue al magnesio.

"Es estable en el aire, lo cual es importante, "Dijo Cho.

Los próximos pasos de la investigación se centrarán en el uso de diferentes tipos de catalizadores, que pueden mejorar la velocidad y la eficiencia de las reacciones químicas, para mejorar aún más la conversión de corriente eléctrica de la celda de combustible. y al estudiar si los diferentes tipos de material también pueden mejorar la capacidad general de la pila de combustible, Cho dijo.