Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute arbetar med att optimera ett lovande nytt nanomaterial som kallas nanoblades för användning vid vätelagring. Under deras testning av det nya materialet, de har upptäckt att det kan lagra och frigöra väte extremt snabbt och vid låga temperaturer jämfört med liknande material. En annan viktig aspekt av det nya materialet är att det också är uppladdningsbart. Dessa attribut kan göra den idealisk för användning i vätgaslagring ombord för nästa generations vätgas- eller bränslecellsfordon.

Resultaten av nanobladens prestanda publiceras i september 2011-upplagan av International Journal of Hydrogen Energy i en artikel med titeln "Lågtemperaturcykling av hydrering-dehydrering av Pd-dekorerade Mg-nanoblad." Forskningen sponsras av National Science Foundation.

Forskarna skapade de magnesiumbaserade nanobladen för första gången 2007. Till skillnad från tredimensionella nanofjädrar och stavar, nanobladen är asymmetriska. De är extremt tunna i en dimension och breda i en annan dimension, skapa mycket stora ytor. De är också utspridda med upp till en mikron mellan varje blad.

För att lagra väte, en stor yta med utrymme mellan nanostrukturer behövs för att ge utrymme för materialet att expandera när fler väteatomer lagras. Den stora ytan och den ultratunna profilen på varje nanoblad, tillsammans med mellanrummen mellan varje blad, kan göra dem idealiska för denna applikation, enligt Gwo-Ching Wang, professor i fysik, tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer.

För att skapa nanobladen, forskarna använder sned vinkel ångdeposition. Denna tillverkningsteknik bygger nanostrukturer genom att förånga ett material - magnesium i det här fallet - och låta de förångade atomerna avsättas på en yta i en sned vinkel. Det färdiga materialet dekoreras sedan med en metallisk katalysator för att fånga och lagra väte. För denna forskning, nanobladen var belagda med palladium.

I deras senaste tidning, forskarna rapporterar om sina tester av nanobladens prestanda. Att förstå hur materialet reagerar på väte över tid är viktigt för att förbättra materialet för framtida användning i vätgasfordon, enligt postdoktor och huvudförfattare till den nya artikeln Yu Liu.

"Kraven från Department of Energy är mycket utmanande för befintlig vätelagringsteknik, särskilt när det gäller nya energilagringsmaterial för vätgaslagring ombord, sa Liu. "Alla nya material måste fungera vid låga temperaturer, desorbera väte snabbt, vara kostnadseffektiv, och vara återvinningsbar."

Deras arbete med nanoblades visar redan lovande inom alla dessa områden, enligt Wang och Liu.

Vad de hittade är att nanobladen började släppa ut väte vid 340 grader K (ungefär 67 grader Celsius). När temperaturen höjdes något till 373 K (100 grader C), vätet som lagrats i nanobladen släpptes på bara 20 minuter. Många andra material kräver mer än dubbelt så hög temperatur för att fungera med den hastigheten, enligt Liu.

De fann också att nanobladen är återvinningsbara. Detta innebär att de kan laddas upp efter vätgassläpp och användas om och om igen. Sådan återanvändbarhet är väsentlig för praktiska tillämpningar.

Med hjälp av en teknik som kallas reflektionshögenergielektrondiffraktion (RHEED) och temperaturprogrammerad desorption (TPD) - som är utrustade på ett integrerat ultrahögvakuumsystem med en kombination av en högtrycksreaktionscell och en tunnfilmsavsättningskammare - fann de att de nuvarande nanobladen kan gå igenom mer än 10 cykler av väteabsorption och frisättning.

RHEED-tekniken skiljer sig från andra processer, såsom röntgendiffraktion, eftersom den övervakar den nära ytstrukturen, fas, och kornstorleken på materialet när det ändras. Att spåra materialets ytutveckling ger insikt i hur strukturen utvecklas över tiden.

Använder RHEED, de fann att med tiden blir katalysatorn förgiftad och magnesiumet reagerar med syre. Detta orsakar oxidation, vilket i slutändan bryter ned materialet och orsakar både morfologiska och kemiska förändringar i materialet.

De kommer nu att arbeta för att optimera materialet med olika katalysatorer och polymerskyddande beläggningar för att förbättra prestandan och öka antalet cykler som materialet kan gå igenom utan nedbrytning.

"Nästa steg är att förbättra återvinningsbarheten, sa Wang. ”Vi har hittat grundorsaken till nedbrytningen av materialet; nu kan vi börja förbättra materialet.”