Det är lätt att vara optimistisk om väte som ett idealiskt bränsle. Det är mycket svårare att komma på en lösning på ett helt grundläggande problem:Hur lagrar man detta bränsle effektivt? Ett schweizisk-polskt team av experimentella och teoretiska fysiker har hittat svaret på frågan om varför tidigare försök att använda den lovande magnesiumhydriden för detta ändamål har visat sig otillfredsställande, och varför de kan lyckas i framtiden.
Vätgas har länge setts som framtidens energibärare. Men innan det blir verklighet inom energisektorn måste effektiva metoder för att lagra det utvecklas. Material – valda på ett sådant sätt att väte till låg energikostnad först kan injiceras i dem och sedan återvinnas vid behov, helst under förhållanden som liknar de som är typiska för vår vardagliga miljö – verkar vara den optimala lösningen.
En lovande kandidat för vätelagring verkar vara magnesium. Att omvandla den till magnesiumhydrid kräver dock en lämpligt effektiv katalysator, som ännu inte har hittats.
Arbetet av ett team av forskare från Empa – de schweiziska federala laboratorierna för materialvetenskap och teknologi i Dübendorf, och avdelningen för kemi vid universitetet i Zürich samt Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow, har visat att orsaken till de många åren av misslyckanden fram till denna punkt ligger i en ofullständig förståelse av de fenomen som uppstår i magnesium under väteinjektion.
Det främsta hindret för upptaget av väte som energikälla är svårigheten att lagra det. I fortfarande sällsynta vätgasdrivna bilar lagras den komprimerad vid ett tryck på cirka 700 atmosfärer. Det här är varken den billigaste eller säkraste metoden, och det har lite med effektivitet att göra:Det finns bara 45 kg väte på en kubikmeter. Samma volym rymmer 70 kg väte, om det kondenseras i förväg.
Tyvärr kräver flytandeprocessen stora mängder energi och den extremt låga temperaturen, runt 20 Kelvin, måste då hållas under hela lagringen. Ett alternativ kan vara lämpliga material; till exempel magnesiumhydrid, som kan rymma upp till 106 kg väte i en kubikmeter.
Magnesiumhydrid är bland de enklaste materialen som testats för vätelagringskapacitet. Dess innehåll kan nå 7,6 % (i vikt). Magnesiumhydridanordningar är därför ganska tunga och därför främst lämpliga för stationära applikationer. Det är dock viktigt att notera att magnesiumhydrid är ett mycket säkert ämne och kan förvaras utan risk; till exempel i en källare, och magnesium i sig är en lättillgänglig och billig metall.
"Forskning om inkorporering av väte i magnesium har pågått i decennier, men det har inte resulterat i lösningar som kan räkna med bredare användning", säger prof. Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), en teoretisk fysiker som har varit medförfattare till en artikel i Advanced Science, där den senaste upptäckten presenteras.
"En källa till problem är väte i sig. Detta element kan effektivt penetrera magnesiums kristallstruktur, men bara när det finns i form av enstaka atomer. För att få det från typiskt molekylärt väte, en katalysator som är tillräckligt effektiv för att göra processen av vätemigrering i materialet krävs snabb och energiskt gångbar. Så alla har letat efter en katalysator som uppfyller ovanstående villkor, tyvärr utan större framgång. Idag vet vi äntligen varför dessa försök var dömda att misslyckas
Prof. Lodziana har utvecklat en ny modell av de termodynamiska och elektronprocesser som förekommer i magnesium i kontakt med väteatomer. Modellen förutspår att under migrationen av väteatomer bildas lokala, termodynamiskt stabila magnesiumhydridkluster i materialet. Vid gränserna mellan det metalliska magnesiumet och dess hydrid sker sedan förändringar i materialets elektroniska struktur, och det är dessa som har en betydande roll för att minska vätejonernas rörlighet.
Med andra ord bestäms kinetiken för magnesiumhydridbildning i första hand av fenomen vid dess gränsyta med magnesium. Denna effekt hade hittills inte beaktats i sökandet efter effektiva katalysatorer.
Prof. Lodzianas teoretiska arbete kompletterar experiment utförda i det schweiziska laboratoriet i Dübendorf. Här studerades migrationen av atomärt väte i ett lager av rent magnesium sputtrat på palladium i en ultrahögvakuumkammare. Mätapparaten kunde registrera förändringar i tillståndet hos flera yttre atomskikt av provet som studerades, orsakade av bildandet av en ny kemisk förening och de tillhörande omvandlingarna av materialets elektroniska struktur. Modellen som föreslagits av forskarna från IFJ PAN tillåter oss att till fullo förstå de experimentella resultaten.
Framgångarna från den schweizisk-polska gruppen av fysiker banar inte bara vägen för ett nytt sökande efter en optimal katalysator för magnesiumhydrid, utan förklarar också varför några av de tidigare hittade katalysatorerna visade högre effektivitet än förväntat.
"Det finns mycket som tyder på att bristen på betydande framsteg inom vätelagring i magnesium och dess föreningar helt enkelt berodde på vår ofullständiga förståelse av processerna som är involverade i vätetransport i dessa material. I decennier har vi alla letat efter bättre katalysatorer, bara inte där vi borde leta. Nu gör nya teoretiska och experimentella resultat det möjligt att tänka om med optimism om ytterligare förbättringar av metoder för att införa väte i magnesium, avslutar Prof. Lodziana.
Mer information: Selim Kazaz et al, Varför Hydrogen Dissociation Catalysts inte fungerar för hydrering av magnesium, Avancerad vetenskap (2023). DOI:10.1002/advs.202304603
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av polska vetenskapsakademin
