Väte är det lättaste och mest rikliga elementet på jorden och i vårt universum. Så det borde inte vara en stor överraskning att forskare eftersträvar väte som en ren, kolfritt, praktiskt taget obegränsad energikälla för bilar och för en rad andra användningsområden, från bärbara generatorer till telekommunikationstorn - med vatten som den enda biprodukten av förbränning.

Även om det fortfarande finns vetenskapliga utmaningar för att göra vätebaserade energikällor mer konkurrenskraftiga med nuvarande fordonsdrivsystem och annan energiteknik, forskare vid US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat ett nytt materialrecept för en batteriliknande vätebränslecell-som omger väteabsorberande magnesiumnanokrystaller med atomtunna grafenark-för att driva dess prestanda framåt i nyckeln områden.

Grafen skyddar nanokristaller från syre och fukt och föroreningar, medan den är liten, naturliga hål låter de mindre vätemolekylerna passera igenom. Denna filtreringsprocess övervinner vanliga problem som försämrar metallhydriders prestanda för lagring av väte.

Dessa grafenkapslade magnesiumkristaller fungerar som "svampar" för väte, erbjuder ett mycket kompakt och säkert sätt att ta in och lagra väte. Nanokristallerna tillåter också snabbare tankning, och minska den totala "tank" -storleken.

"Bland metallhydridbaserade material för vätlagring för bränslecellsfordon, våra material har god prestanda när det gäller kapacitet, reversibilitet, kinetik och stabilitet, "sa Eun Seon Cho, en postdoktor vid Berkeley Lab och huvudförfattare till en studie relaterad till den nya bränslecellsformeln, publicerades nyligen i Naturkommunikation .

I ett fordon med vätgasbränslecell som använder dessa material, känd som en "metallhydrid" (väte bunden med en metall) bränslecell, vätgas som pumpas in i ett fordon skulle absorberas kemiskt av magnesium -nanokristallinpulvret och göras säkert vid låga tryck.

Jeff Urban, en forskare och medförfattare från Berkeley Lab, sa, "Detta arbete föreslår möjligheten till praktisk vätlagring och användning i framtiden. Jag tror att dessa material representerar en allmänt tillämpbar metod för att stabilisera reaktiva material samtidigt som de utnyttjar deras unika aktivitet-koncept som kan ha omfattande applikationer för batterier, katalys, och energimaterial. "

Forskningen, utförd på Berkeley Labs Molecular Foundry och Advanced Light Source, är en del av ett National Lab Consortium, kallad HyMARC (Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium) som söker säkrare och mer kostnadseffektiv vätelagring, och Urban är Berkeley Labs ledande forskare för den insatsen.

USA:s marknadsandel för alla eldrivna fordon 2015, inklusive helelektrisk, hybrider och plug-in hybridfordon, var 2,87 procent, vilket uppgår till cirka 500, 000 eldrivna fordon av den totala fordonsförsäljningen på cirka 17,4 miljoner, enligt statistik rapporterad av Electric Drive Transportation Association, en branschorganisation som främjar eldrivna fordon.

Vätebränsle-cellfordon har ännu inte gjort stora vägar i bilförsäljningen, även om flera stora biltillverkare inklusive Toyota, Honda, och General Motors, har investerat i att utveckla vätgasbränslecellfordon. Verkligen, Toyota släppte en liten produktionsmodell som heter Mirai, som använder tankar med komprimerad väte, förra året i USA

En potentiell fördel för vätebränsle-cellfordon, förutom deras minskade miljöpåverkan över fordon med standardbränsle, är den höga specifika energin för väte, vilket innebär att vätebränsleceller kan ta upp mindre vikt än andra batterisystem och bränslekällor samtidigt som de ger mer elektrisk energi.

Ett mått på energilagringskapaciteten per vikt vätebränsleceller, känd som "gravimetrisk energitäthet, "är ungefär tre gånger bensin. Urban noterade att denna viktiga egenskap, om den används effektivt, kan utöka det totala fordonsutbudet för vätebaserade transporter, och förlänga tiden mellan tankning för många andra applikationer, för.

Mer FoU behövs för att åstadkomma vätlagring med högre kapacitet för fordon med lång räckvidd som överstiger prestanda för befintliga elbatterier, Cho sa, och andra tillämpningar kan vara bättre lämpade för vätebränsleceller på kort sikt, t.ex. stationära strömkällor, truckar och flygplatsfordon, bärbara strömkällor som batteriladdare för bärbara datorer, bärbar belysning, vatten- och avloppspumpar och räddningstjänstutrustning.

Cho sa att en vägspärr till metallhydridlagring har varit en relativt långsam takt när det gäller att ta in (absorption) och ge ut (desorption) väte under enheternas cykling. I bränsleceller, separata kemiska reaktioner som involverar väte och syre producerar ett flöde av elektroner som kanaliseras som elektrisk ström, skapa vatten som en biprodukt.

Den lilla storleken på de grafenkapslade nanokristallerna som skapades vid Berkeley Lab, som bara mäter cirka 3-4 nanometer, eller miljarddels meter över, är en nyckel i de nya bränslecellmaterialens snabba avskiljning och utsläpp av väte, Cho sa, eftersom de har mer yta tillgänglig för reaktioner än samma material skulle ha vid större storlekar.

En annan nyckel är att skydda magnesiumet från exponering för luft, vilket skulle göra det oanvändbart för bränslecellen, tillade hon.

Jobbar på The Molecular Foundry, forskare fann en enkel, skalbar och kostnadseffektiv "one pan" -teknik för att blanda upp grafenarken och nanokristaller av magnesiumoxid i samma sats. De studerade senare de belagda nanokristallernas struktur med hjälp av röntgenstrålar vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla. Röntgenstudierna visade hur vätgas som pumpas in i bränslecellblandningen reagerade med magnesiumnanokristaller för att bilda en mer stabil molekyl som kallas magnesiumhydrid samtidigt som syret stängs från att nå magnesiumet.

"Det är stabilt i luften, vilket är viktigt, "Sa Cho.

Nästa steg i forskningen kommer att fokusera på att använda olika typer av katalysatorer - vilket kan förbättra hastigheten och effektiviteten hos kemiska reaktioner - för att ytterligare förbättra bränslecellens omvandling av elektrisk ström, och för att studera om olika typer av material också kan förbättra bränslecellens totala kapacitet, Sa Cho.