(Phys.org)—Väte är det idealiska bränslet för nya typer av bränslecellsfordon, men ett problem är hur man lagrar väte. I sin doktorsavhandling studerar Serhiy Luzan nya typer av material för vätelagring. Han visar också att nya material med intressanta egenskaper kan syntetiseras genom reaktion av väte med kolnanostrukturerade material.

Nya bilmotorer som går på vätgas producerar bara vatten som avgas och är tre till fyra gånger effektivare än vanliga förbränningsmotorer. Bara ett "litet" problem hämmar utvecklingen av vätgasdrivna fordon:det finns ingen bra metod för att lagra tillräckliga mängder väte, eftersom det är en gas med mycket låg densitet.

Serhiy Luzan ägnar den första delen av sin avhandling åt studier av vätelagring i spännande nya typer av material:metall-organiska ramverk (MOF). De består av zink- och koboltbaserade metallkluster länkade samman via organiska länkar, och de är extremt porösa. Ett gram MOF har en väteabsorberande yta som är större än en fotbollsplan! Dussintals nya MOF-material syntetiseras varje år, vilket är mycket lovande för nästa generations vätgaslagringsmaterial.

Serhiy studerade väteabsorptionen av flera nya MOF och undersökte effekterna av olika ytområden, porvolymer, och porformer på vätelagringsparametrarna. MOF:er kan lagra rekordmängder väte vid mycket låga temperaturer, men vätekapaciteten vid rumstemperatur är inte tillräckligt bra. Luzan studerade därför nya metoder för att förbättra denna kapacitet. Tillsats av metallkatalysatorer har tidigare rapporterats förbättra vätelagringen avsevärt.

"Men i min studie, effekten av tillsats av metallkatalysatorer på väteabsorption i MOF bekräftades inte, säger Serhihy Luzan.

Väte är av intresse inte bara som bränsle utan också för kemisk modifiering av nanostrukturerade kolmaterial, som kolnanorör, fullerener, och grafen. Grafen är ett enda lager av kolatomer. Kolnanorör består också av rent kol, i form av grafenlager rullade till en cylinder. Fulleren, C60, består av sextio kolatomer ordnade i figurer med fem eller sex hörn, precis som mönstret på en fotboll. Det finns kolmaterial som är starkare än stål, leder ström bättre än koppar, och diffus värme bättre än diamant.

I den andra delen av avhandlingen beskriver Luzan de material han skapade genom reaktionen mellan väte och fullerener och kolnanorör.

Luzan studerade reaktionen mellan fulleren C60 och väte vid förhöjda temperaturer och vätetryck, med och utan tillsats av metallkatalysatorer. Reaktionen resulterade i bildning av hydrerade fullerener, C60Hx. Vid utökad vätebehandling, fullerenstrukturen splittrades och kollapsade. Detta resultat visar att det är möjligt att bryta ner fullerener stegvis till mindre koppliknande molekyler, som stabiliseras av väteatomer. Detta är en struktur som tidigare var svår att uppnå.

"Med denna metod, vi borde kunna använda fullerener som ett relativt billigt källmaterial för att skapa nya molekyler som förhoppningsvis skulle behålla intressanta egenskaper från det ursprungliga kolnanomaterialet, säger Serhihy Luzan.

Hydrogenerad grafen (grafan) förväntas vara ett idealiskt material för ny kolbaserad elektronik, men grafan är svårt att syntetisera genom en direkt reaktion mellan grafen och väte. Det är mycket lättare att först hydrera kolnanorör och sedan skära dem längs röraxeln till så kallade nanoband, som har väte kovalent bundet till ytan.

Luzans experiment visade att reaktionen mellan enkelväggiga kolnanorör och väte är möjlig om en lämplig katalysator används, och han kunde observera att några av nanorören omvandlades till grafen eller grafan nanoband.