Ibland, du måste gå liten för att vinna stort. Det är tillvägagångssättet för en multilab, tvärvetenskapligt team tog i bruk av nanopartiklar och ett nytt nanokonfinenseringssystem för att utveckla en metod för att ändra väteförvaringsegenskaper. Denna upptäckt kan möjliggöra skapandet av högkapacitetsvätlagermaterial som kan snabbt tanka, förbättra prestandan för framväxande vätebränslecells elektriska fordon. Sandia National Laboratories, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), National Institute of Standards and Technology och Mahidol University i Bangkok, Thailand, samarbetade kring forskningen, som publicerades 8 februari i tidningen Avancerade materialgränssnitt .

Påskyndar upptag och utsläpp av väte

Vätebränslecellsfordon drivs av en elektrokemisk reaktion mellan väte och syre inuti en bränslecell. Medan syre tillhandahålls av luft, vätet måste lagras separat på fordonet. Nuvarande bränslecells elektriska fordon lagrar väte som en högtrycksgas.

Ett fast material kan fungera som en svamp för absorption och frisättning av väte, i kemiska termer hydrogenering och dehydrogenering. Således kan användning av ett sådant väteförvaringsmaterial öka hur mycket väte som kan lagras. Materialet måste kunna lagra tillräckligt med väte för att fordonet ska gå minst 300 mil innan tankning.

"Det finns två kritiska problem med befintliga svampar för vätelagring, "sa Sandia -kemisten Vitalie Stavila." De flesta kan inte suga upp tillräckligt med väte för bilar. Också, svamparna släpper inte upp och absorberar väte tillräckligt snabbt, särskilt jämfört med de 5 minuter som behövs för tankning. "

I detta försök, Stavila förklarade, det tvärvetenskapliga teamet av forskare arbetade nära med syntesen, karakterisering och modellering för att förbättra litiumnitridens egenskaper, en lovande svamp för lagring av väte. Teamet utvecklade också en grundläggande förståelse för varför nanosering förbättrar vätlagringsegenskaperna hos detta material.

Begränsa utrymmet

Idén kom från Mahidol University doktorand Natchapol "Golf" Poonyayant, som närmade sig Sandia med tanken på att använda nanokonfinering för att förbättra vätlagringsreaktioner i kvävehaltiga föreningar. I samarbete med Sandia -forskarna, Poonyayant, hans rådgivare, Pasit Pakawatpanurut, och kamrat Mahidol -studenten Natee "Game" Angboonpong fann att flytande ammoniak kan användas som ett skonsamt och effektivt lösningsmedel för att införa metaller och kväve i fickorna på kolnanopartiklar, producerar nanokonfinerade litiumnitridpartiklar.

Det nya materialet som kom fram från Poonyayants idé visade några ovanliga och oväntade egenskaper. Först, mängden litiumnitrid i kolnanopartikelvärden var ganska hög för ett nanokonfinerat system, cirka 40 procent. Andra, den nanokonfinerade litiumnitriden absorberades och släppte ut väte snabbare än bulkmaterialet. Vidare, när litiumnitriden hade hydrerats, det släppte också ut väte i bara ett steg och mycket snabbare än bulksystemet som tog två steg.

"Med andra ord, de kemiska vägarna för både väteabsorption och frisättning i detta vätelagringsmaterial förändrades dramatiskt till det bättre, "sa Sandia -kemisten Lennie Klebanoff.

Förstår pusslet

För att bättre förstå mekanismen som är ansvarig för denna förbättring, Sandia -forskarna tog kontakt med beräkningsvetaren Brandon Wood från LLNL, en ledande expert på teorin om solid state-reaktioner. Wood och hans LLNL -kollegor Tae Wook Heo, Jonathan Lee och Keith Ray upptäckte att orsaken till det ovanliga beteendet var energin i samband med två materialgränssnitt.

Eftersom litiumnitrid -nanopartiklarna bara är 3 nanometer breda, även den minsta energiskt ogynnsamma processen undviks i väteförvaringsegenskaperna. För litiumnitrid -nanopartiklar som genomgår hydrogeneringsreaktioner, undvikandet av ogynnsamma mellanprodukter - extra steg i den kemiska processen - ökar effektiviteten.

Tar minsta motståndets väg, materialet genomgår en enda stegs väg till fullständig hydrogenering. Liknande, en gång hydrerad, nanopartiklarna släpper ut väte genom den lägsta tillgängliga energibanan, som i detta fall är direkt vätefrisättning tillbaka till litiumnitrid.

"På det här sättet, nano -gränssnitten driver väteförvaringsegenskaperna när materialen görs mycket små, till exempel med nanokonfinansiering, "sa Wood." Den ändamålsenliga kontrollen av nanointerfaces erbjuder ett nytt sätt att optimera vätlagringsreaktionskemi. "

Nästa steg

Enligt forskarna Sandia och LLNL, nästa steg är att ytterligare förstå hur dehydrogenerade och hydrogenerade faserna av litiumnitrid förändras i nanoskala. Detta är en hård utmaning för laget, eftersom det kräver avbildning av olika kemiska faser i en partikel som bara är flera nanometer bred.

Teamet kommer att dra nytta av möjligheterna inom DOE:s väteförvaringsmaterial Advanced Research Consortium (HyMARC), ledd av Sandia och bestod dessutom av forskare från LLNL och Lawrence Berkeley National Laboratory. Teamet planerar att använda rumsligt upplöst synkrotronstrålning från LBNL:s Advanced Light Source för att undersöka gränssnittets kemi och struktur.

Dessutom, eftersom den nanoporösa kolvärden är "dödvikt" ur ett väteförvaringsperspektiv, teamet undersöker sätt att "lätta på belastningen" och hitta kolmaterial med fler nanofickor för en given kolmassa.

"Vi är glada över detta tekniska framsteg och glada över att ta oss an arbetet framöver, "sa Klebanoff." Men det är bittert. Golf, som inspirerade detta arbete och genomförde många av synteserna, dog tragiskt vid 25 års ålder under skrivandet av denna uppsats. Världen har förlorat en begåvad ung man och vi har förlorat en kär vän som vi saknar. Detta arbete och dess publicerade konto är tillägnade Golf och hans familj. "