Los ingenieros de la Universidad de Rice se han centrado en la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nanomateriales de "grafeno blanco" - un diseño como un rascacielos liliputiense con "pisos" de nitruro de boro apoyados uno encima del otro y manteniendo exactamente 5.2 angstroms separados por pilares de nitruro de boro.
Los resultados aparecen en el diario pequeño .
"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 rápida y fácilmente 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 en el 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 más limpiaforma de generar electricidad: el único subproducto es el agua. Un informe de 2017 realizado por 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, el almacenamiento y la seguridad. Mientras que grandes volúmenes se pueden almacenar 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 automóvil, hasta ahoraeludió a los ingenieros.
Después de meses de cálculos en dos de las supercomputadoras más rápidas de Rice, Shahsavari y el estudiante graduado de Rice Shuo Zhao encontraron la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nitruro de boro. Una forma del material, el nitruro de boro hexagonal hBN, consiste en láminas gruesas de átomos.de boro y nitrógeno 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 previo 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 celdas 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, los nanotubos de carbono o los híbridos de grafeno y nitruro de boro".
"Pero el espacio y la disposición de las hojas y pilares de hBN también es crítico", dijo. "Así que decidimos realizar una búsqueda exhaustiva de todas las geometrías posibles de hBN para ver cuál funcionó mejor. También ampliamos los cálculos para incluirvarias 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 era computacionalmente intenso pero que valía 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 trabajan juntos para optimizar el almacenamiento de hidrógeno", dijo.
A diferencia de los materiales que almacenan hidrógeno a través de enlaces químicos, Shahsavari dijo que el nitruro de boro es un sorbente 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 sorbentes tienden a descargarsemás 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 fueron la clave para maximizar la capacidad.
"Sin pilares, las láminas se asientan naturalmente una encima de la otra aproximadamente a 3 angstroms de separación, y muy pocos átomos de hidrógeno pueden penetrar en 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 acumularse en el medio. Por el contrario, los modelos hechos de tubos puramente BN, no láminas, tenían menos capacidad de almacenamiento ".
Shahsavari dijo que los modelos mostraron que las estructuras de lámina de tubo de hBN puro podrían contener 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 esa capacidad, pero que elEl objetivo final del DOE es un 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 pequeñas cantidades de litio al hBN.
Finalmente, dijo Shahsavari, las irregularidades en las láminas planas y similares a un piso de la estructura también podrían resultar útiles para los ingenieros.
"Las arrugas se forman naturalmente en las láminas de nitruro de boro con columnas 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 resistencia. Si el material escolocado bajo carga o impacto, esa forma abrochada puede desabrocharse fácilmente sin romperse. Esto podría aumentar la seguridad del material, lo cual es una gran preocupación en los dispositivos de almacenamiento de hidrógeno.
"Además, la alta conductividad térmica y la flexibilidad de BN pueden proporcionar oportunidades adicionales para controlar la cinética de adsorción y liberación bajo demanda", dijo Shahsavari. "Por ejemplo, puede ser posible controlar la cinética de liberación aplicando un voltaje externo,calor o un campo eléctrico "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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