Algunas veces, tienes que ser pequeño para ganar en grande. Ese es el enfoque de un laboratorio múltiple, El equipo interdisciplinario utilizó nanopartículas y un novedoso sistema de nanoconfinamiento para desarrollar un método para cambiar las propiedades de almacenamiento de hidrógeno. Este descubrimiento podría permitir la creación de materiales de almacenamiento de hidrógeno de alta capacidad capaces de repostar rápidamente. mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos emergentes de pila de combustible de hidrógeno. Laboratorios Nacionales Sandia, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad Mahidol en Bangkok, Tailandia colaboró ​​en la investigación, que se publicó el 8 de febrero en la revista Interfaces de materiales avanzados .

Acelerar la absorción y liberación de hidrógeno.

Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno funcionan mediante una reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno dentro de una pila de combustible. Mientras que el oxígeno lo proporciona el aire, el hidrógeno debe almacenarse por separado en el vehículo. Los vehículos eléctricos de pila de combustible actuales almacenan hidrógeno como gas a alta presión.

Un material sólido puede actuar como una esponja para la absorción y liberación de hidrógeno, en términos químicos, hidrogenación y deshidrogenación. Por lo tanto, el uso de un material de almacenamiento de hidrógeno de este tipo podría aumentar la cantidad de hidrógeno que se puede almacenar. El material debe poder almacenar suficiente hidrógeno para que el vehículo recorra al menos 300 millas antes de repostar.

"Hay dos problemas críticos con las esponjas existentes para el almacenamiento de hidrógeno, ", dijo el químico de Sandia Vitalie Stavila." La mayoría no puede absorber suficiente hidrógeno para los automóviles. También, las esponjas no liberan ni absorben hidrógeno lo suficientemente rápido, especialmente en comparación con los 5 minutos necesarios para repostar ".

En este esfuerzo, Stavila explicó, el equipo interdisciplinario de científicos trabajó de cerca en la síntesis, caracterización y modelado para mejorar las propiedades del nitruro de litio, una esponja de almacenamiento de hidrógeno prometedora. El equipo también desarrolló una comprensión fundamental de por qué el nanoescala mejora las propiedades de almacenamiento de hidrógeno de este material.

Confinando el espacio

La idea surgió del estudiante graduado de la Universidad de Mahidol, Natchapol "Golf" Poonyayant, quien se acercó a Sandia con la idea de usar nanoconfinamiento para mejorar las reacciones de almacenamiento de hidrógeno en compuestos que contienen nitrógeno. Trabajando con los investigadores de Sandia, Poonyayant, su consejero, Pasit Pakawatpanurut, y su compañero de estudios de Mahidol, Natee "Game" Angboonpong, descubrieron que el amoníaco líquido podría usarse como un solvente suave y eficiente para introducir metales y nitrógeno en las bolsas de nanopartículas de carbono, produciendo partículas de nitruro de litio nanoconfinadas.

El nuevo material que surgió de la idea de Poonyayant mostró algunas propiedades inusuales e inesperadas. Primero, la cantidad de nitruro de litio en el anfitrión de la nanopartícula de carbono era bastante alta para un sistema nanoconfinido, alrededor del 40 por ciento. Segundo, el nitruro de litio nanoconfinido absorbió y liberó hidrógeno más rápidamente que el material a granel. Es más, una vez hidrogenado el nitruro de litio, también liberó hidrógeno en un solo paso y mucho más rápido que el sistema a granel que tomó dos pasos.

"En otras palabras, las vías químicas tanto para la absorción como para la liberación de hidrógeno en este material de almacenamiento de hidrógeno cambiaron drásticamente para mejor, ", dijo el químico de Sandia, Lennie Klebanoff.

Entendiendo el rompecabezas

Para comprender mejor el mecanismo responsable de esta mejora, los científicos de Sandia se acercaron al científico computacional Brandon Wood de LLNL, un destacado experto en la teoría de reacciones en estado sólido. Wood y sus colegas de LLNL Tae Wook Heo, Jonathan Lee y Keith Ray descubrieron que la razón del comportamiento inusual era la energía asociada con dos interfaces materiales.

Dado que las nanopartículas de nitruro de litio tienen solo 3 nanómetros de ancho, incluso el proceso energéticamente desfavorable más pequeño se evita en las propiedades de almacenamiento de hidrógeno. Para nanopartículas de nitruro de litio sometidas a reacciones de hidrogenación, evitar los intermedios desfavorables (pasos adicionales en el proceso químico) aumenta la eficiencia.

Tomando el camino de menor resistencia el material se somete a una ruta de un solo paso hacia la hidrogenación completa. Similar, una vez hidrogenado, las nanopartículas liberan hidrógeno por la vía de energía más baja disponible, que en este caso es la liberación directa de hidrógeno de nuevo a nitruro de litio.

"De este modo, las nanointerfaces impulsan las propiedades de almacenamiento de hidrógeno cuando los materiales se hacen muy pequeños, por ejemplo con nanoconfinamiento, ", dijo Wood." El control intencionado de las nanointerfaces ofrece una nueva forma de optimizar la química de la reacción de almacenamiento de hidrógeno ".

El siguiente paso

Según los investigadores de Sandia y LLNL, el siguiente paso es comprender mejor cómo cambian las fases deshidrogenada e hidrogenada del nitruro de litio a nanoescala. Este es un duro desafío para el equipo, ya que requiere obtener imágenes de diferentes fases químicas dentro de una partícula que tiene solo varios nanómetros de ancho.

El equipo se basará en las capacidades del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Almacenamiento de Hidrógeno (HyMARC) del DOE, dirigido por Sandia y compuesto además por científicos del LLNL y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El equipo planea utilizar radiación de sincrotrón resuelta espacialmente de la fuente de luz avanzada de LBNL para sondear la estructura y la química de la interfaz.

Además, Dado que el anfitrión de carbono nanoporoso es un "peso muerto" desde la perspectiva del almacenamiento de hidrógeno, el equipo está examinando formas de "aligerar la carga" y encontrar materiales de carbono con más nanobolsillos para una masa de carbono determinada.

"Estamos encantados con este avance técnico y entusiasmados de asumir el trabajo que tenemos por delante, ", dijo Klebanoff." Pero es agridulce. Golf, quien inspiró este trabajo y realizó muchas de las síntesis, murió trágicamente a la edad de 25 años durante la redacción de este artículo. El mundo ha perdido a un joven talentoso y nosotros hemos perdido a un querido amigo al que echamos de menos. Este trabajo y su relato publicado están dedicados al golf y su familia ".