Rice Universitys ingenjörer har nollställt den optimala arkitekturen för att lagra väte i "vit grafen" nanomaterial - en design som en Lilliputian skyskrapa med "golv" av bornitrid som sitter ovanpå varandra och hålls exakt 5,2 ångström från varandra av bornitridpelare.

Resultaten visas i journalen Små .

"Motivationen är att skapa ett effektivt material som kan ta upp och hålla mycket väte – både i volym och vikt – och som snabbt och enkelt kan frigöra det vätet när det behövs, " sa studiens huvudförfattare, Rouzbeh Shahsavari, biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Rice.

Väte är det lättaste och vanligaste grundämnet i universum, och dess förhållande mellan energi och massa-mängden tillgänglig energi per kilo råvara, till exempel - överstiger långt det för fossila bränslen. Det är också det renaste sättet att generera el:Den enda biprodukten är vatten. En rapport från 2017 av marknadsanalytiker vid BCC Research fann att den globala efterfrågan på vätgaslagringsmaterial och -tekniker sannolikt kommer att nå 5,4 miljarder dollar årligen 2021.

Vätgas primära nackdelar hänför sig till portabilitet, förvaring och säkerhet. Även om stora volymer kan lagras under högt tryck i underjordiska saltkupoler och specialdesignade tankar, småskaliga bärbara tankar-motsvarande en bensintank för bilar-har hittills undvikit ingenjörer.

Efter månader av beräkningar på två av Rices snabbaste superdatorer, Shahsavari och Rice doktorand Shuo Zhao hittade den optimala arkitekturen för att lagra väte i bornitrid. En form av materialet, hexagonal bornitrid (hBN), består av atomtjocka ark av bor och kväve och kallas ibland vit grafen eftersom atomerna är åtskilda exakt som kolatomer i platta ark av grafen.

Tidigare arbete i Shahsavaris Multiscale Materials Lab fann att hybridmaterial av grafen och bornitrid kunde hålla tillräckligt med väte för att uppfylla Department of Energys lagringsmål för lätta bränslecellsfordon.

"Valet av material är viktigt, " sa han. "Boronitrid har visat sig vara bättre när det gäller väteabsorption än ren grafen, kolnanorör eller hybrider av grafen och bornitrid.

"Men avståndet och arrangemanget mellan hBN-skivor och pelare är också avgörande, "sa han." Så vi bestämde oss för att utföra en uttömmande sökning av alla möjliga geometrier för hBN för att se vilken som fungerade bäst. Vi utökade också beräkningarna till att omfatta olika temperaturer, tryck och dopmedel, spårämnen som kan läggas till bornitriden för att förbättra dess vätelagringskapacitet."

Zhao och Shahsavari inrättade många "ab initio" -tester, datorsimuleringar som använde fysikens första principer. Shahsavari sa att tillvägagångssättet var beräkningsintensivt men värt den extra ansträngningen eftersom det erbjöd mest precision.

"Vi genomförde nästan 4, 000 ab initio beräkningar för att försöka hitta den där söta punkten där materialet och geometrin går hand i hand och verkligen arbetar tillsammans för att optimera vätelagring, " han sa.

Till skillnad från material som lagrar väte genom kemisk bindning, Shahsavari sa bornitrid är en sorbent som håller väte genom fysiska bindningar, som är svagare än kemiska bindningar. Det är en fördel när det gäller att få vätgas ur lagring eftersom sorberande material tenderar att släppas ut lättare än deras kemiska kusiner, sa Shahsavari.

Han sa att valet av bornitridskivor eller -rör och motsvarande avstånd mellan dem i överbyggnaden var nyckeln till att maximera kapaciteten.

"Utan pelare, lakanen sitter naturligt ovanpå varandra med cirka 3 ångströms mellanrum, och väldigt få väteatomer kan penetrera det utrymmet, " sa han. "När avståndet växte till 6 ångström eller mer, kapaciteten sjönk också. Vid 5,2 ångström, det finns en kooperativ attraktion från både tak och golv, och vätet tenderar att klumpa sig i mitten. Omvänt, modeller gjorda av rent BN-rör – inte ark – hade mindre lagringskapacitet."

Shahsavari sa att modeller visade att de rena hBN-rörplåtsstrukturerna kunde hålla 8 viktprocent väte. (Viktprocent är ett mått på koncentration, liknande delar per miljon.) Fysiska experiment behövs för att verifiera att kapacitet, men att DOE:s slutliga mål är 7,5 viktprocent, och Shahsavaris modeller tyder på att ännu mer väte kan lagras i hans struktur om spårmängder litium tillsätts till hBN.

Till sist, Shahsavari sa, oegentligheter i lägenheten, golvliknande ark av strukturen kan också vara användbara för ingenjörer.

"Rynkor bildas naturligt i arken med pelarnad bornitrid på grund av arten av korsningarna mellan pelarna och golven, " sa han. "Faktiskt, detta kan också vara fördelaktigt eftersom rynkorna kan ge seghet. Om materialet utsätts för belastning eller stötar, den spännade formen kan lätt lossas utan att gå sönder. Detta kan öka materialets säkerhet, vilket är ett stort problem i vätgaslagringsenheter.

"Vidare, den höga värmeledningsförmågan och flexibiliteten hos BN kan ge ytterligare möjligheter att kontrollera adsorptions- och frisättningskinetiken på begäran, "Sa Shahsavari." Till exempel, det kan vara möjligt att kontrollera frigöringskinetiken genom att applicera en extern spänning, värme eller ett elektriskt fält."