Una mezcla en polvo de nanocristales metálicos envueltos en láminas de átomos de carbono de una sola capa, desarrollada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, promete almacenar de forma segura el hidrógeno para su uso con celdas de combustible para vehículos de pasajeros y otros usosY ahora, un nuevo estudio proporciona información sobre los detalles atómicos del revestimiento ultrafino de los cristales y cómo sirve como blindaje selectivo al tiempo que mejora su rendimiento en el almacenamiento de hidrógeno.
El estudio, dirigido por investigadores de Berkeley Lab, se basó en una gama de experiencia y capacidades de laboratorio para sintetizar y recubrir los cristales de magnesio, que miden solo 3-4 nanómetros billonésimas de metro de ancho; estudie su composición química a nanoescala con X-rays; y desarrollar simulaciones por computadora y teorías de apoyo para comprender mejor cómo funcionan los cristales y su revestimiento de carbono juntos.
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 son 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 el HidrógenoMateriales: Consorcio de Investigación Avanzada HyMARC establecido como parte de la Red de Materiales Energéticos por la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible del Departamento de Energía de EE. UU. En la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable.
óxido de grafeno reducido o rGO, que se asemeja al grafeno más famoso una lámina de carbono extendida, de un solo átomo de espesor, dispuesta en un patrón de panal, tiene agujeros a nanoescala que permiten el paso del hidrógeno mientras mantienen a raya a las moléculas más grandes.
Esta envoltura de carbono tenía la intención de evitar que el magnesio, que se usa como material de almacenamiento de hidrógeno, reaccione con su entorno, incluido el oxígeno, el vapor de agua y el dióxido de carbono. Dichas exposiciones podrían producir una capa gruesa de oxidación que evitaríael hidrógeno entrante no accede 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.
"Anteriormente, pensábamos que el material estaba muy bien protegido", dijo Liwen Wan, investigador postdoctoral en Mokecular Foundry de Berkeley Lab, un Centro de Investigación de Ciencia a Nanoescala del DOE, que se desempeñó como autor principal del estudio. El estudio fue publicado en el Nano letras diario. "De nuestro análisis detallado, vimos alguna evidencia de oxidación"
Wan agregó: "La mayoría de las personas sospecharían que la capa de óxido es una mala noticia para el almacenamiento de hidrógeno, lo 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 elmagnesio, 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 recubrimiento de carbono", señaló. "No parece haber ningún inconveniente".
David Prendergast, director de The Molecular Foundry's Theory Facility y participante en el estudio, señaló que la generación actual de vehículos alimentados con hidrógeno alimenta sus motores de celdas de combustible con gas de hidrógeno comprimido ". Esto requiere tanques cilíndricos pesados y voluminosos que limitan el", dijo, y los nanocristales ofrecen una posibilidad para eliminar estos tanques voluminosos almacenando hidrógeno en otros materiales".
El estudio también ayudó a mostrar que la delgada capa de óxido no necesariamente obstaculiza la velocidad a la que este material puede absorber hidrógeno, lo cual es importante cuando necesita repostar rápidamente. Este hallazgo también fue inesperado en base a la comprensión convencional deel papel de bloqueo que normalmente juega la oxidación en estos materiales de almacenamiento de hidrógeno.
Eso significa que los nanocristales envueltos, en un contexto de almacenamiento y suministro de combustible, absorberían químicamente el gas de hidrógeno bombeado a una densidad mucho más alta que la posible en un tanque de combustible de gas de 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 a lo largo del tiempo, lo que sugiere que la oxidación no progresa.
El análisis se basó, en parte, en 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 de hidrógeno en tiempo real.
Wan dijo que una clave del estudio fue interpretar los datos de rayos X de ALS simulando mediciones de rayos X para modelos atómicos hipotéticos de la capa oxidada y luego seleccionando los modelos que mejor se ajustan a los datos ". De eso sabemos quéel material en realidad se parece ", dijo.
Si bien muchas simulaciones se basan en materiales muy puros con superficies limpias, dijo Wan, en este caso las simulaciones estaban destinadas a ser más representativas de las imperfecciones del mundo real de los nanocristales.
El 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, dijo Wan, como los hidruros metálicos complejos compuestos de hidrógeno-metal que también se envolverían en un protectorhoja de grafeno.
"Al ir a hidruros metálicos complejos, obtienes 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 usar las supercomputadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley Lab NERSC para este trabajo.
"Ahora que tenemos una buena comprensión de los nanocristales de magnesio, sabemos que podemos transferir esta capacidad para mirar otros materiales para acelerar el proceso de descubrimiento", dijo Wan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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