Los ingenieros de la Universidad de Rice se han concentrado en la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nanomateriales de "grafeno blanco", un diseño como un rascacielos liliputiense con "pisos" de nitruro de boro colocados uno encima del otro y separados con precisión de 5.2 angstroms por pilares de nitruro de boro.

Los resultados aparecen en la revista Pequeña .

"La motivación es crear un material eficiente que pueda absorber y retener una gran cantidad de hidrógeno, tanto en volumen como en peso, y que pueda liberar ese hidrógeno de forma rápida y sencilla cuando sea necesario". "dijo el autor principal del estudio, Rouzbeh Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Rice.

El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo, y su relación energía-masa:la cantidad de energía disponible por libra de materia prima, por ejemplo, supera con creces la de los combustibles fósiles. También es la forma más limpia de generar electricidad:el único subproducto es el agua. Un informe de 2017 de analistas de mercado de BCC Research encontró que la demanda global de materiales y tecnologías de almacenamiento de hidrógeno probablemente alcanzará los $ 5.4 mil millones anuales para 2021.

Los principales inconvenientes del hidrógeno se relacionan con la portabilidad, almacenamiento y seguridad. Si bien se pueden almacenar grandes volúmenes a alta presión en domos de sal subterráneos y tanques especialmente diseñados, Los tanques portátiles a pequeña escala, el equivalente a un tanque de gasolina de un automóvil, han eludido hasta ahora a los ingenieros.

Tras meses de cálculos en dos de las supercomputadoras más rápidas de Rice, El estudiante graduado de Shahsavari y Rice, Shuo Zhao, encontró la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nitruro de boro. Una forma del material, nitruro de boro hexagonal (hBN), Consiste en láminas de boro y nitrógeno del grosor de un átomo y, a veces, se le llama grafeno blanco porque los átomos están espaciados exactamente como los átomos de carbono en láminas planas de grafeno.

El trabajo anterior en el Laboratorio de Materiales Multiescala de Shahsavari encontró que los materiales híbridos de grafeno y nitruro de boro podrían contener suficiente hidrógeno para cumplir con los objetivos de almacenamiento del Departamento de Energía para vehículos de celda de combustible de servicio liviano.

"La elección del material es importante, ", dijo." Se ha demostrado que el nitruro de boro es mejor en términos de absorción de hidrógeno que el grafeno puro, nanotubos de carbono o híbridos de grafeno y nitruro de boro.

"Pero el espaciado y la disposición de las hojas y los pilares de hBN también es fundamental, ", dijo." Así que decidimos realizar una búsqueda exhaustiva de todas las posibles geometrías de hBN para ver cuál funcionaba mejor. También ampliamos los cálculos para incluir varias temperaturas, presiones y dopantes, oligoelementos que se pueden agregar al nitruro de boro para mejorar su capacidad de almacenamiento de hidrógeno ".

Zhao y Shahsavari establecieron numerosas pruebas "ab initio", simulaciones por computadora que utilizaron los primeros principios de la física. Shahsavari dijo que el enfoque fue computacionalmente intenso pero que valió la pena el esfuerzo adicional porque ofrecía la mayor precisión.

"Realizamos casi 4, 000 cálculos ab initio para tratar de encontrar ese punto óptimo donde el material y la geometría van de la mano y realmente funcionan juntos para optimizar el almacenamiento de hidrógeno, " él dijo.

A diferencia de los materiales que almacenan hidrógeno a través de enlaces químicos, Shahsavari dijo que el nitruro de boro es un absorbente que retiene el hidrógeno a través de enlaces físicos, que son más débiles que los enlaces químicos. Esa es una ventaja cuando se trata de sacar el hidrógeno del almacenamiento porque los materiales absorbentes tienden a descargarse más fácilmente que sus primos químicos. Dijo Shahsavari.

Dijo que la elección de láminas o tubos de nitruro de boro y el espacio correspondiente entre ellos en la superestructura eran la clave para maximizar la capacidad.

"Sin pilares, las sábanas se asientan naturalmente una encima de la otra a unos 3 angstroms de distancia, y muy pocos átomos de hidrógeno pueden penetrar ese espacio, ", dijo." Cuando la distancia creció a 6 angstroms o más, la capacidad también se redujo. A 5,2 angstroms, hay una atracción cooperativa tanto desde el techo como desde el piso, y el hidrógeno tiende a agruparse en el medio. En cambio, los modelos hechos de tubos puramente BN, no de láminas, tenían menos capacidad de almacenamiento ".

Shahsavari dijo que los modelos mostraron que las estructuras de láminas de tubos de hBN puro podían contener un 8 por ciento en peso de hidrógeno. (El porcentaje en peso es una medida de concentración, similar a partes por millón.) Se necesitan experimentos físicos para verificar que la capacidad, pero que el objetivo final del DOE es el 7.5 por ciento en peso, y los modelos de Shahsavari sugieren que se puede almacenar aún más hidrógeno en su estructura si se agregan trazas de litio al hBN.

Finalmente, Shahsavari dijo:irregularidades en el piso, Las láminas de la estructura en forma de piso también podrían resultar útiles para los ingenieros.

"Las arrugas se forman naturalmente en las láminas de nitruro de boro con pilares debido a la naturaleza de las uniones entre las columnas y los pisos, ", dijo." De hecho, esto también podría ser ventajoso porque las arrugas pueden proporcionar dureza. Si el material se coloca bajo carga o impacto, esa forma abrochada se puede desabrochar fácilmente sin romperse. Esto podría contribuir a la seguridad del material, que es una gran preocupación en los dispositivos de almacenamiento de hidrógeno.

"Es más, la alta conductividad térmica y la flexibilidad de BN pueden brindar oportunidades adicionales para controlar la adsorción y la cinética de liberación a pedido, "Dijo Shahsavari." Por ejemplo, puede ser posible controlar la cinética de liberación aplicando un voltaje externo, calor o un campo eléctrico ".