Nanoinženjeringom do materijala koji mogu da skladište i oslobađaju vodonik na sobnoj temperaturi

Inženjeri širom sveta rade na raznim novim tehnologijama koje bi mogle da pomognu u ograničavanju emisije gasova sa efektom staklene bašte i izlaženju na kraj sa klimatskim promenama. Jedna od predloženih alternativa štetnim fosilnim gorivima, kao što su benzin, dizel i prirodni gas, jeste vodonik.

Vodonik je čisto gorivo koje se može koristiti za napajanje gorivnih ćelija – uređaja koji direktno pretvaraju hemijsku energiju goriva u električnu energiju, bez sagorevanja. Vodonične gorivne ćelije mogle bi zameniti motore koji koriste sagorevanje i mogle bi biti posebno pogodne za razvoj velikih električnih vozila, kao što su autobusi, kamioni i čak vozovi.

Preporučujemo

Uprkos njegovom potencijalu, bezbedno i pouzdano skladištenje vodonika se pokazalo kao izazov. Jedan od pristupa skladištenju vodonika podrazumeva upotrebu nosača vodonika, tj. materijala koji mogu da apsorbuju i oslobađaju vodonik. Ovi materijali bi se mogli koristiti za privremeno skladištenje vodonika i transport do željenih lokacija.

Materijal koji može da skladišti izuzetno velike količine vodonika je litijum-borohidrid. Ovaj materijal oslobađa vodonik putem procesa poznatog kao dehidrogenacija, što rezultira formiranjem bora i litijum-hidrida.

Da bi se materijal ponovo koristio nakon što oslobodi vodonik, bor i litijum-hidrid moraju da reaguju sa vodoničnim gasom u procesu zvanom hidrogenacija. Međutim, bor i litijum-hidrid su veoma otporni na ovu reakciju, što otežava izvođenje hidrogenacije bez trošenja ogromnih količina energije.

Istraživači sa Univerziteta Džeđang, Univerziteta Fudan i iz drugih instituta nedavno su predstavili novu nanoinženjersku strategiju koja bi mogla pouzdano izazvati hidrogenaciju na sobnoj temperaturi. Njihov pristup se oslanja na sintezu novih materijala koji kombinuju ultrafine nanočestice litijum-borohidrida i veoma male klastere atoma nikla.

„Litijum-borohidrid je obećavajući nosač vodonika zbog velikog kapaciteta skladištenja vodonika. Međutim, niska reaktivnost proizvoda dehidrogenacije, bora i litijum-hidrida, u odnosu sa molekulima divodonika čini regeneraciju borohidrida izuzetno teškom. Mi teorijski pokazujemo preduslov za formiranje B–H veze, a ne direktne reakcije između H2 i bora“, kažu istraživači.

Kombinovanje nanočestica litijum-borohidrida i katalizatora od nikla

Prvo su izvedene teorijske kalkulacije da bi se bolje razumelo kako vodonik reaguje sa borom na atomskom nivou, što je dovelo do identifikacije visokoreaktivnih površinskih atoma bora, koji su bitni za formiranje novih veza između bora i vodonika.

Istraživači su predvideli da veličina atoma bora takođe ima ulogu u procesu hidrogenacije - otkrili su da bi ultramale čestice bora bilo lakše hidrogenizovati.

„Stoga smo eksperimentalno sintetisali nanokompozite koji se sastoje od ultrafinih nanočestica litijum-borohidrida sa katalitičkim klasterima nikla veličine 3 nanometra za skladištenje vodonika“, kažu istraživači.

„Nakon dehidrogenacije, ovi nanokompoziti formiraju klastere bora i litijum-hidrida u neposrednoj blizini, razmera od 5 do 10 nm, dok klasteri nikla ostaju netaknuti. Klasteri nikla ne samo da olakšavaju razdvajanje H2 u H atome, već i snažno reaguju sa klasterima bora, slabeći B-B vezu, što omogućava hidrogenaciju bora i litijum-hidrida nazad u litijum-borohidrid na temperaturama od samo 30 stepeni Celzijusovih pod 100 bara H2“.

Obećavajući put za skladištenje vodonika

Koristeći svoje novosintetisane nanokompozite, istraživači su demonstrirali regeneraciju litijum-borohidrida putem interakcije bora i litijum-hidrida sa vodoničnim gasom na temperaturama sniženim do 30 stepeni. Ovo je izuzetno dostignuće, jer su dosad hidrogenacija i regeneracija litijum-borohidrida zahtevale da se materijali zagreju na znatno veće temperature, što može potrošiti ogromnu energiju.

Nanoinženjerski pristup bi mogao na kraju da se koristi za stvaranje drugih obećavajućih materijala koji mogu pouzdano da skladište vodonik na nižim temperaturama.

U budućnosti bi ova studija tako mogla doprineti održivoj primeni vodoničnih gorivnih ćelija u stvarnom svetu, omogućavajući efikasno skladištenje vodonika i njegov transport preko velikih udaljenosti.

(Telegraf Nauka/Phys.org)