Väte som en kolfri energikälla kan expandera till en mängd olika sektorer, inklusive industriella processer, bygga värme och transport. För närvarande, det driver en växande flotta av nollutsläppsfordon, inklusive tåg i Tyskland, bussar i Sydkorea, bilar i Kalifornien och gaffeltruckar över hela världen. Dessa fordon använder en bränslecell för att kombinera väte och syrgas, producerar el som driver en motor. Vattenånga är deras enda utsläpp.

För att vätgas ska fortsätta växa och förändra sektorer över hela ekonomin, ny infrastruktur behövs. Vätgasdrivna bilar lagrar vätgas ombord vid ett tryck 700 gånger högre än atmosfärstrycket för att köra så långt som konventionella bensinfordon. Även om denna teknik har möjliggjort kommersialisering av vätgasdrivna bilar, den kan inte uppfylla de utmanande energitäthetsmål som uppställts av det amerikanska energidepartementet.

Med stöd av DOE:s energieffektivitets- och förnybara energikontorets bränslecellsteknologikontor, Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), ett multilab -samarbete, utvecklar två typer av vätlagermaterial för att uppfylla dessa federala mål. I den första fasen av sitt arbete, gruppen identifierade strategier och gjorde grundforskning för att öka lagringskapaciteten för metall-organiska ramverk och öka lagringseffektiviteten för metallhydrider.

Nu, det nyutvecklade samarbetet använder de mest lovande strategierna för att optimera materialet för framtida användning i fordon, möjligen erbjuda mer kompakta inbyggda lagringssystem, minskat driftstryck och betydande kostnadsbesparingar.

"Dessa fördelar kan hjälpa till att få fler bränslecellfordon på vägen genom att möjliggöra en körupplevelse som liknar konventionella fordon, "sade Mark Allendorf, en forskare vid Sandia National Laboratories och meddirektör för HyMARC-konsortiet.

Konsortiet utforskar nu sätt att ta bort väte reversibelt från molekyler, såsom etanol. Dessa molekylära vätebärare skulle vara lättare att transportera till tankstationer än vätgas, öka effektiviteten i bränsletillförseln och sänka kostnaden för vätedrivna fordon samt andra applikationer. Genombrott i avancerade vätlagermaterial som kommer från HyMARC kommer också att stödja DOE:s H2@Scale -initiativ för att möjliggöra överkomlig storskalig väteproduktion, lagring, transport och användning inom flera sektorer.

Konsortiet fortsätter

Sedan 2015 har forskare på Sandia, Lawrence Berkeley och Lawrence Livermore nationella laboratorier har fokuserat på två primära typer av vätlagermaterial för att lära sig hur deras form, struktur och kemisk sammansättning påverkar deras prestanda. HyMARC -konsortiet har lagt till forskare vid National Renewable Energy Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory och National Institute of Standards and Technology.

Den utökade gruppen fick nyligen en andra finansieringsomgång från DOE Energy Efficiency and Renewable Energy Office för att ta itu med prestandafrågor som hindrar de mest lovande materialen från att nå de federala målen för vätelagring. Att göra det, forskarna har identifierat de mest relevanta utmaningarna som bromsar takten för innovation av vätelagringsmaterial. De utvecklar sedan verktyg för att hantera dessa utmaningar, inklusive pålitliga sätt att tillverka materialen, nya datormodeller för att förutsäga materialegenskaper som påverkar deras lagringsprestanda och nya mätmetoder för att tillgodose vissa materials höga reaktivitet med fukt och syre. "HyMARC gör dessa verktyg tillgängliga för andra laboratorier som tillämpar dem på specifika material, "Allendorf sa." Vi samarbetar också med dem för att underlätta deras forskning. "

Tämningstemperatur

Den första klassen av material av intresse för HyMARC kallas sorbenter. Dessa material har små porer som fungerar som svampar för att adsorbera och hålla vätgas på sina ytor. Dessa porer skapar ett material med en hög ytarea, och därmed lagringsutrymme. Ett gram material kan ha lika mycket yta som en hel fotbollsplan.

Det leder till en oväntad praktisk effekt:porösa material kan teoretiskt hålla mer väte än en högtrycksbränsletank, sa Vitalie Stavila, en Sandia -kemist. Men eftersom vätgas interagerar svagt med porväggarna, mycket av det lagringsutrymmet blir oanvänt. Dessa material fungerar bäst vid kryogena temperaturer för låga för praktisk användning.

De bäst presterande sorbenterna är material som kallas metallorganiska ramverk, eller MOF. I dessa material, Stela länkar som är gjorda av kolatomer förbinder enskilda metalljoner som barerna i ett djungelgym på en lekplats. För att öka mängden väte som lagras i materialen, konsortiet rekommenderar att vätgripande element som bor eller kväve läggs till kolbindarna som bildar porväggarna.

Teammedlemmar har också utvecklat MOF där mer än en vätemolekyl kan hålla sig till en metalljon i ramen. Tillsammans med ökad lagringskapacitet, dessa material interagerar starkare med väte. Praktiskt taget, detta betyder att gasen fastnar vid porväggarna vid högre temperaturer.

Nanostrukturer ökar lagringseffektiviteten

Den andra klassen av lovande vätlagringsmaterial är metallhydrider, ett material som Sandia -forskare har gjort i decennier. I dessa material, metalljoner håller väte med kemiska bindningar. Genom att bryta dessa bindningar kan vätgas frigöras för användning i en bränslecell.

Dock, dessa material bildar starka bindningar med väte, och energi krävs för att frigöra lagrad gas. Att minska storleken på hydridpartiklar från makroskopiska korn till nanokluster som är mer än tiotusen gånger mindre än människohårets bredd gör materialet mycket mer reaktivt, så att det kan släppa ut väte vid lägre temperaturer. Stavila och hans kollegor använder porösa material, t.ex. MOF eller poröst kol, som mallar för att kontrollera klusterstorlek och förhindra att de klumpar ihop sig.

"Vi lärde oss under den första fasen av HyMARC att tillverkning av nanostrukturerade metallhydrider gör att vi kan justera styrkan hos bindningarna som bildas med väte och ändra hur snabbt väte ansluter sig till och lämnar ytan, "Stavila sa." Det betyder att mindre energi behövs för att släppa ut gasen. "

Forskarna testar nanoskalahydriderna för funktioner, såsom lagringsomvändbarhet och användbar lagringskapacitet, som är viktiga för framtida applikationer. "Vi bygger förtroende för att nanoskalahydrider kan vara praktiska lagringsmaterial, "Sa Stavila.

Gruppen använder också en datavetenskapsteknik som kallas maskininlärning för att snabbt identifiera de fysiska egenskaperna hos dessa lagringsmaterial som korrelerar till den prestanda som krävs för att nå de federala målen. Deras tillvägagångssätt låter dem förstå hur datorn identifierade sina förutsägelser. "Vi genererar vetenskaplig insikt för att skapa en ny intuition om hur dessa material beter sig, "Sa Allendorf.

"Att identifiera vätlagringsmaterial som kan uppfylla alla DOE -mål är ett viktigt steg mot övergång till en framtida väteekonomi, " han sa.

För vätgasdrivna fordon, uppfyller dessa mål för lagringsmaterial innebär att sådana fordon kan ha körområden, tankningstider och bränslekostnader liknande konventionella fordon.

"Även om de tekniska utmaningarna är stora, "Allendorf sa, "HyMARC -teamet är starkt motiverat av vikten av sin roll och av de senaste upptäckterna som visar vägen till framgångsrika material."