Una mezcla en polvo de nanocristales metálicos envueltos en láminas de átomos de carbono de una sola capa, desarrollado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), se muestra prometedor para el almacenamiento seguro de hidrógeno para su uso con pilas de combustible para vehículos de pasajeros y otros usos. Y ahora, Un nuevo estudio proporciona información sobre los detalles atómicos del revestimiento ultradelgado de los cristales y cómo sirve como protección selectiva al tiempo que mejora su rendimiento en el almacenamiento de hidrógeno.

El estudio, dirigido por investigadores de Berkeley Lab, se basó en una variedad de experiencia y capacidades de laboratorio para sintetizar y recubrir los cristales de magnesio, que miden sólo 3-4 nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho; estudiar su composición química a nanoescala con rayos X; y desarrollar simulaciones por computadora y teorías de apoyo para comprender mejor cómo funcionan juntos los cristales y su recubrimiento de carbono.

Los hallazgos del equipo científico podrían ayudar a los investigadores a comprender cómo recubrimientos similares también podrían mejorar el rendimiento y la estabilidad de otros materiales que se muestran prometedores para las aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno. El proyecto de investigación es uno de varios esfuerzos dentro de un esfuerzo de I + D de múltiples laboratorios conocido como Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC) establecido como parte de la Red de Materiales de Energía por la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible del Departamento de Energía de EE. UU. En la Oficina de Energía Eficiencia y Energías Renovables.

Óxido de grafeno reducido (o rGO), que se asemeja al grafeno más famoso (una hoja extendida de carbono, solo un átomo de espesor, arreglado en un patrón de panal), tiene agujeros a nanoescala que permiten el paso del hidrógeno mientras mantienen a raya las moléculas más grandes.

Esta envoltura de carbono estaba destinada a evitar que el magnesio, que se utiliza como material de almacenamiento de hidrógeno, reaccione con su entorno. incluyendo oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono. Tales exposiciones podrían producir una capa gruesa de oxidación que evitaría que el hidrógeno entrante acceda a las superficies de magnesio.

Pero el último estudio sugiere que se formó una capa de oxidación atómicamente delgada en los cristales durante su preparación. Y, aún más sorprendente, esta capa de óxido no parece degradar el rendimiento del material.

"Previamente, pensamos que el material estaba muy bien protegido, "dijo Liwen Wan, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un centro de investigación científica a nanoescala del DOE, quien se desempeñó como autor principal del estudio. El estudio fue publicado en la Nano letras diario. "De nuestro análisis detallado, vimos alguna evidencia de oxidación ".

Wan agregó, "La mayoría de la gente sospecharía que la capa de óxido es una mala noticia para el almacenamiento de hidrógeno, que resulta que puede no ser cierto en este caso. Sin esta capa de óxido, el óxido de grafeno reducido tendría una interacción bastante débil con el magnesio, pero con la capa de óxido, la unión carbono-magnesio parece ser más fuerte.

"Ese es un beneficio que, en última instancia, mejora la protección proporcionada por el revestimiento de carbono, ", señaló." No parece haber ningún inconveniente ".

David Prendergast, director de la Instalación de Teoría de la Fundición Molecular y participante en el estudio, señaló que la generación actual de vehículos propulsados ​​por hidrógeno acciona sus motores de pila de combustible utilizando gas hidrógeno comprimido. "Esto requiere voluminosos, tanques cilíndricos pesados ​​que limitan la eficiencia de conducción de dichos automóviles, " él dijo, y los nanocristales ofrecen una posibilidad para eliminar estos voluminosos tanques almacenando hidrógeno dentro de otros materiales.

El estudio también ayudó a demostrar que la fina capa de óxido no obstaculiza necesariamente la velocidad a la que este material puede absorber hidrógeno. lo cual es importante cuando necesita repostar rápidamente. Este hallazgo también fue inesperado basado en la comprensión convencional del papel de bloqueo que normalmente juega la oxidación en estos materiales de almacenamiento de hidrógeno.

Eso significa los nanocristales envueltos, en un contexto de almacenamiento y suministro de combustible, absorbería químicamente el gas hidrógeno bombeado a una densidad mucho más alta que la posible en un tanque de combustible de gas hidrógeno comprimido a las mismas presiones.

Los modelos que Wan desarrolló para explicar los datos experimentales sugieren que la capa de oxidación que se forma alrededor de los cristales es atómicamente delgada y estable en el tiempo. sugiriendo que la oxidación no progresa.

El análisis se basó, en parte, en torno a los experimentos realizados en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, una fuente de rayos X llamada sincrotrón que se utilizó anteriormente para explorar cómo los nanocristales interactúan con el gas hidrógeno en tiempo real.

Wan dijo que una clave del estudio fue interpretar los datos de rayos X de ALS mediante la simulación de mediciones de rayos X para modelos atómicos hipotéticos de la capa oxidada. y luego seleccionar los modelos que mejor se ajusten a los datos. "Por eso sabemos cómo se ve realmente el material, " ella dijo.

Si bien muchas simulaciones se basan en materiales muy puros con superficies limpias, Wan dijo:en este caso, las simulaciones estaban destinadas a ser más representativas de las imperfecciones del mundo real de los nanocristales.

Un siguiente paso tanto en experimentos como en simulaciones, es utilizar materiales que sean más ideales para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno en el mundo real, Wan dijo:como hidruros metálicos complejos (compuestos de hidrógeno-metal) que también se envolverían en una lámina protectora de grafeno.

"Al recurrir a hidruros metálicos complejos, obtiene una capacidad de almacenamiento de hidrógeno intrínsecamente mayor y nuestro objetivo es permitir la absorción y liberación de hidrógeno a temperaturas y presiones razonables, "Dijo Wan.

Algunos de estos materiales complejos de hidruro metálico requieren bastante tiempo para simular, y el equipo de investigación planea utilizar las supercomputadoras del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) de Berkeley Lab para este trabajo.

"Ahora que conocemos bien los nanocristales de magnesio, sabemos que podemos transferir esta capacidad para mirar otros materiales para acelerar el proceso de descubrimiento, "Dijo Wan.