Sedan 1970 -talet har väte har påpekats som ett lovande alternativ till fossila bränslen på grund av dess rena förbränning-i motsats till kolvätebaserade bränslen, som spyder växthusgaser och skadliga föroreningar, vätgas enda förbränningsprodukt är vatten. Jämfört med bensin, väte är lätt, kan ge en högre energitäthet och är lätt tillgänglig. Men det finns en anledning till att vi inte redan lever i en väteekonomi:att ersätta bensin som bränsle, väte måste lagras säkert och tätt, men lätt åtkomlig. Begränsad av material som inte kan hoppa över dessa motstridiga hinder, vätelagringstekniken har halkat efter andra kandidater för ren energi.

Under de senaste åren har forskare har försökt att ta itu med båda frågorna genom att låsa väte i fasta ämnen, packa större mängder i mindre volymer med låg reaktivitet - en nödvändighet för att hålla denna flyktiga gas stabil. Dock, de flesta av dessa fasta ämnen kan bara absorbera en liten mängd väte och kräver extrem uppvärmning eller kylning för att öka deras totala energieffektivitet.

Nu, forskare vid US Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utformat ett nytt kompositmaterial för vätelagring bestående av nanopartiklar av magnesiummetall som strös genom en matris av polymetylmetakrylat, en polymer relaterad till plexiglas. Denna böjliga nanokomposit absorberar och släpper snabbt ut väte vid måttliga temperaturer utan att oxidera metallen efter cykling - ett stort genombrott i materialdesign för vätelagring, batterier och bränsleceller.

"Detta arbete visar vår förmåga att designa sammansatta nanoskala material som övervinner grundläggande termodynamiska och kinetiska hinder för att förverkliga en materialkombination som historiskt varit mycket svårfånglig, "säger Jeff Urban, Biträdande direktör för anorganiska nanostrukturer på Molecular Foundry, ett DOE Office of Science nanovetenskapscenter och nationell användaranläggning belägen vid Berkeley Lab. "Dessutom, vi kan produktivt utnyttja de unika egenskaperna hos både polymeren och nanopartiklarna i detta nya kompositmaterial, som kan ha bred tillämpbarhet på relaterade problem inom andra områden inom energiforskning. "

Urban, tillsammans med medförfattarna använde Ki-Joon Jeon och Christian Kisielowski TEAM 0.5-mikroskopet vid National Center for Electron Microscopy (NCEM), en annan DOE Office of Science nationell användaranläggning som ligger på Berkeley Lab, att observera enskilda magnesium -nanokristaller dispergerade genom polymeren. Med högupplösta bildfunktioner i TEAM 0.5, världens mest kraftfulla elektronmikroskop, forskarna kunde också spåra defekter-atomära vakanser i en annars ordnad kristallin ram-vilket gav en aldrig tidigare skådad inblick i vätets beteende inom denna nya klass lagringsmaterial.

"Att upptäcka nya material som kan hjälpa oss att hitta en mer hållbar energilösning är kärnan i energidepartementets uppdrag. Vårt labb tillhandahåller enastående experiment för att stödja detta uppdrag med stor framgång, "säger Kisielowski." Vi bekräftade förekomsten av väte i detta material genom tidsberoende spektroskopiska undersökningar med TEAM 0.5-mikroskopet. Denna undersökning tyder på att även direkt avbildning av vätekolonner i sådana material kan försökas med TEAM -mikroskop. "

"Berkeley Labs unika karaktär uppmuntrar samarbete mellan olika delar utan några begränsningar, "sa Jeon, nu vid Ulsan National Institute of Science and Technology, vars postdoktorala arbete med Urban ledde till denna publikation.

För att undersöka upptag och utsläpp av väte i deras nanokompositmaterial, teamet vände sig till Berkeley Labs Energy and Environmental Technologies Division (EETD), vars forskning syftar till att utveckla mer miljövänlig teknik för att generera och lagra energi, inklusive vätlagring.

"Här på EETD, vi har arbetat nära med industrin för att upprätthålla en vätelagringsanläggning samt utveckla testprotokoll för väteförvaringsegenskaper, "säger Samuel Mao, direktör för Clean Energy Laboratory vid Berkeley Lab och en adjungerad ingenjörsfakultetsmedlem vid University of California (UC), Berkeley. "Vi tycker mycket om detta samarbete med Jeff och hans team inom materialvetenskapsavdelningen, där de utvecklade och syntetiserade detta nya material, och kunde sedan använda vår anläggning för sin forskning om lagring av väte. "

Lägger till Urban, "Denna ambitiösa vetenskap är unikt väl positionerad för att kunna bedrivas inom det starka samarbetsetos här på Berkeley Lab. Framgångarna vi uppnår beror kritiskt på nära band mellan banbrytande mikroskopi vid NCEM, verktyg och expertis från EETD, och karakterisering och materialkunskap från MSD. "