En pulverformig blandning av metallnanokristaller inlindade i ettskiktsark av kolatomer, utvecklad vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), visar löfte om att säkert lagra vätgas för användning med bränsleceller för personbilar och andra användningsområden. Och nu, en ny studie ger insikt i de atomära detaljerna i kristallernas ultratunna beläggning och hur den fungerar som selektiv avskärmning samtidigt som den förbättrar deras prestanda vid vätelagring.

Studien, ledd av forskare från Berkeley Lab, utnyttjade en rad laboratorieexpertis och kapacitet för att syntetisera och belägga magnesiumkristallerna, som mäter endast 3-4 nanometer (miljarddelar av en meter) tvärs över; studera deras kemiska sammansättning i nanoskala med röntgenstrålar; och utveckla datorsimuleringar och stödjande teorier för att bättre förstå hur kristallerna och deras kolbeläggning fungerar tillsammans.

Forskargruppens resultat kan hjälpa forskare att förstå hur liknande beläggningar också kan förbättra prestanda och stabilitet hos andra material som visar lovande för lagring av väte. Forskningsprojektet är en av flera ansträngningar inom en forsknings- och utvecklingssatsning med flera laboratorier, känd som Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium (HyMARC) som inrättats som en del av Energy Materials Network av det amerikanska energidepartementets kontor för bränslecellsteknologier i Office of Energy. Effektivitet och förnybar energi.

Reducerad grafenoxid (eller rGO), som liknar den mer kända grafenen (ett förlängt ark av kol, bara en atom tjock, klädd i ett bikakemönster), har hål i nanoskala som tillåter väte att passera igenom samtidigt som de håller större molekyler borta.

Denna kolförpackning var avsedd att förhindra magnesiumet – som används som vätelagringsmaterial – från att reagera med sin omgivning, inklusive syre, vattenånga och koldioxid. Sådana exponeringar skulle kunna producera en tjock beläggning av oxidation som skulle hindra det inkommande vätet från att komma åt magnesiumytorna.

Men den senaste studien tyder på att ett atomärt tunt lager av oxidation bildades på kristallerna under deras beredning. Och, ännu mer överraskande, detta oxidskikt verkar inte försämra materialets prestanda.

"Tidigare, vi tyckte att materialet var mycket väl skyddat, sa Liwen Wan, en postdoktor vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ett DOE Nanoscale Science Research Center, som fungerade som studiens huvudförfattare. Studien publicerades i Nanobokstäver tidning. "Från vår detaljerade analys, vi såg några bevis på oxidation."

Wan tillade, "De flesta skulle misstänka att oxidskiktet är dåliga nyheter för vätelagring, vilket det visar sig kanske inte är sant i det här fallet. Utan detta oxidskikt, den reducerade grafenoxiden skulle ha en ganska svag interaktion med magnesiumet, men med oxidskiktet verkar kol-magnesiumbindningen vara starkare.

"Det är en fördel som i slutändan förbättrar skyddet från kolbeläggningen, " noterade hon. "Det verkar inte finnas någon nackdel."

David Prendergast, chef för Molecular Foundry's Theory Facility och en deltagare i studien, noterade att den nuvarande generationen vätgasdrivna fordon driver sina bränslecellsmotorer med hjälp av komprimerad vätgas. "Detta kräver skrymmande, tunga cylindriska tankar som begränsar körningseffektiviteten hos sådana bilar, " han sa, och nanokristallerna erbjuder en möjlighet att eliminera dessa skrymmande tankar genom att lagra väte i andra material.

Studien hjälpte också till att visa att det tunna oxidskiktet inte nödvändigtvis hindrar den hastighet med vilken detta material kan ta upp väte, vilket är viktigt när du behöver tanka snabbt. Detta fynd var också oväntat baserat på den konventionella förståelsen av den blockerande roll som oxidation vanligtvis spelar i dessa vätelagringsmaterial.

Det betyder de inslagna nanokristallerna, i ett bränsleförvarings- och försörjningssammanhang, skulle kemiskt absorbera inpumpad vätgas med en mycket högre densitet än vad som är möjligt i en bränsletank för komprimerad vätgas vid samma tryck.

De modeller som Wan utvecklade för att förklara experimentella data tyder på att oxidationsskiktet som bildas runt kristallerna är atomärt tunt och är stabilt över tid, tyder på att oxidationen inte fortskrider.

Analysen baserades på till viss del, kring experiment utförda vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en röntgenkälla som kallas synkrotron som tidigare användes för att utforska hur nanokristallerna interagerar med vätgas i realtid.

Wan sa att en nyckel till studien var att tolka ALS-röntgendata genom att simulera röntgenmätningar för hypotetiska atommodeller av det oxiderade skiktet, och sedan välja de modeller som bäst passar data. "Från det vet vi hur materialet faktiskt ser ut, " Hon sa.

Även om många simuleringar bygger på mycket rena material med rena ytor, Wan sa, i det här fallet var simuleringarna avsedda att vara mer representativa för de verkliga bristerna hos nanokristallerna.

Ett nästa steg, i både experiment och simuleringar, är att använda material som är mer idealiska för verkliga vätelagringsapplikationer, Wan sa, såsom komplexa metallhydrider (väte-metallföreningar) som också skulle vara inslagna i ett skyddande ark av grafen.

"Genom att gå till komplexa metallhydrider, du får en väsentligt högre vätelagringskapacitet och vårt mål är att möjliggöra väteupptagning och frigöring vid rimliga temperaturer och tryck, " sa Wan.

Vissa av dessa komplexa metallhydridmaterial är ganska tidskrävande att simulera, och forskargruppen planerar att använda superdatorerna vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) för detta arbete.

"Nu när vi har en god förståelse för magnesium nanokristaller, vi vet att vi kan överföra denna förmåga att titta på andra material för att påskynda upptäcktsprocessen, " sa Wan.