Kredit:Nature Chemistry (2022). DOI:10.1038/s41557-022-01019-7
Väte (H2 ) diskuteras för närvarande som en idealisk energibärare av förnybar energi. Väte har den högsta gravimetriska energitätheten av alla kemiska bränslen (141 MJ/kg), vilket är tre gånger högre än bensin (46 MJ/kg). Dess låga volymetriska densitet begränsar dock dess utbredda användning i transportapplikationer – eftersom nuvarande lagringsalternativ kräver mycket utrymme.
Vid omgivningstemperatur är väte en gas, och ett kilo väte upptar en volym på 12 000 liter (12 kubikmeter). I bränslecellsfordon lagras väte under ett mycket högt tryck på 700 gånger atmosfärstrycket, vilket minskar volymen till 25 liter per kilogram H2 . Flytande väte uppvisar en högre densitet vilket resulterar i 14 liter per kilogram, men det kräver extremt låga temperaturer eftersom vätgas kokpunkt är minus 253 °C.
Nu har ett team av forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems, Technische Universität Dresden, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg och Oak Ridge National Laboratory visat att väte kondenserar på en yta vid en mycket låg temperatur nära H. 2 kokpunkt, vilket bildar ett supertätt monolager som överstiger densiteten för flytande väte med en faktor på nästan tre, vilket minskar volymen till endast 5 liter per kilogram H2 .
Det överraskande resultatet var att dubbelt så många H2 molekyler än atomer av ädelgasen argon täckte ytan, även om båda har nästan samma storlek. För att fördubbla antalet molekyler per område, H2 molekyler kläms tätt ihop och bildar ett supertätt lager.
Studien av R. Balderas-Xicohténcatl et al. involverade högupplösta kryoadsorptionsexperiment på högordnad mesoporös kiseldioxid som uppvisar väldefinierade por- och ytegenskaper för att bestämma antalet molekyler som kondenseras på materialets yta.
Oelastisk neutronspridning är ett idealiskt verktyg för att följa bildandet av detta tvådimensionella väteskikt. För första gången bekräftades förekomsten av detta supertäta väte in situ. Denna direkta observation var endast möjlig med den högupplösta neutronvibrationsspektrometern VISION, som har en oelastisk räknehastighet som är mer än 100 gånger större än någon liknande tillgänglig spektrometer.
Teoretiska studier bekräftar de experimentella observationerna av den ovanligt höga vätedensiteten i det adsorberade skiktet. Attraktionskrafterna vid ytan var starkare än repulsionen mellan två vätemolekyler, vilket resulterade i en supertät vätepackning på den mesoporösa kiseldioxidytan. Den superhöga densiteten är en konsekvens av den höga kompressibiliteten hos väte, som inte har kärnelektroner.
Bildandet av det supertäta väteskiktet vid låga temperaturer nära kokpunkten är av fundamentalt intresse. Det bör övervägas för kvantitativ analys av H2 adsorptionsisotermer vid 20 K. Det kan också öppna nya möjligheter för att förbättra den volymetriska kapaciteten hos kryogena vätelagringssystem för många tillämpningar i en kommande väteekonomi.
Forskningen publicerades i Nature Chemistry . + Utforska vidare
