O hidrogênio como fonte de energia livre de carbono pode se expandir para uma variedade de setores, incluindo processos industriais, construção de calor e transporte. Atualmente, alimenta uma frota crescente de veículos com emissão zero, incluindo trens na Alemanha, ônibus na Coréia do Sul, carros na Califórnia e empilhadeiras em todo o mundo. Esses veículos usam uma célula de combustível para combinar gases de hidrogênio e oxigênio, produzindo eletricidade que alimenta um motor. O vapor de água é sua única emissão.

Para que o hidrogênio continue a crescer e mudar os setores da economia, é necessária nova infraestrutura. Os carros movidos a hidrogênio armazenam gás hidrogênio a bordo a uma pressão 700 vezes maior do que a pressão atmosférica para dirigir tão longe quanto os veículos convencionais a gasolina. Embora essa tecnologia tenha permitido a comercialização de carros movidos a hidrogênio, não pode cumprir as metas desafiadoras de densidade de energia estabelecidas pelo Departamento de Energia dos EUA.

Com o apoio do Departamento de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Tecnologias de Célula de Combustível, o Consórcio de Pesquisa Avançada de Materiais de Hidrogênio (HyMARC), uma colaboração multilab, está desenvolvendo dois tipos de materiais de armazenamento de hidrogênio para atender a essas metas federais. Na primeira fase de seu trabalho, o grupo identificou estratégias e fez pesquisas fundamentais para aumentar a capacidade de armazenamento de estruturas metal-orgânicas e aumentar a eficiência de armazenamento de hidretos metálicos.

Agora, a colaboração recentemente expandida está usando as estratégias mais promissoras para otimizar os materiais para uso futuro em veículos, potencialmente oferecendo sistemas de armazenamento integrado mais compactos, redução das pressões operacionais e economia significativa de custos.

"Esses benefícios podem ajudar a colocar mais veículos com célula de combustível na estrada, permitindo uma experiência de direção semelhante à dos veículos convencionais, "disse Mark Allendorf, pesquisador do Sandia National Laboratories e codiretor do consórcio HyMARC.

O consórcio agora está explorando maneiras de retirar o hidrogênio reversivelmente das moléculas, como o etanol. Esses transportadores moleculares de hidrogênio seriam mais fáceis de transportar para os postos de abastecimento do que o gás hidrogênio, aumentando a eficiência do fornecimento de combustível e reduzindo o custo de veículos movidos a hidrogênio, bem como outras aplicações. Avanços em materiais de armazenamento de hidrogênio avançado provenientes do HyMARC também apoiarão a iniciativa H2 @ Scale do DOE para permitir a produção de hidrogênio em larga escala a preços acessíveis, armazenar, transporte e utilização em vários setores.

Consórcio continua

Desde 2015, pesquisadores da Sandia, Os laboratórios nacionais Lawrence Berkeley e Lawrence Livermore se concentraram em dois tipos principais de materiais de armazenamento de hidrogênio para aprender como sua forma, a estrutura e a composição química afetam seu desempenho. O consórcio HyMARC adicionou pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável, Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, SLAC National Accelerator Laboratory e National Institute of Standards and Technology.

O grupo expandido recebeu recentemente uma segunda rodada de financiamento do Departamento de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE para tratar de questões de desempenho que impedem os materiais mais promissores de atingir as metas federais de armazenamento de hidrogênio. Fazer isso, os pesquisadores identificaram os desafios mais relevantes que diminuem o ritmo da inovação do material de armazenamento de hidrogênio. Eles, então, desenvolvem ferramentas para enfrentar esses desafios, incluindo maneiras confiáveis ​​de fazer os materiais, novos modelos de computador para prever propriedades de materiais que influenciam seu desempenho de armazenamento e novos métodos de medição para acomodar a alta reatividade de alguns materiais com umidade e oxigênio. "HyMARC disponibiliza essas ferramentas para outros laboratórios que as aplicam a materiais específicos, "Allendorf disse." Nós também colaboramos com eles para facilitar suas pesquisas. "

Temperatura para domar

A primeira classe de materiais de interesse para HyMARC é chamada de sorventes. Esses materiais têm minúsculos poros que agem como esponjas para adsorver e reter gás hidrogênio em suas superfícies. Esses poros criam um material com uma grande área de superfície, e, portanto, espaço de armazenamento. Um grama de material pode ter a mesma área de superfície de um campo de futebol inteiro.

Isso leva a um efeito prático inesperado:materiais porosos podem teoricamente conter mais hidrogênio do que um tanque de combustível de alta pressão, disse Vitalie Stavila, um químico Sandia. No entanto, como o gás hidrogênio interage fracamente com as paredes dos poros, muito desse espaço de armazenamento fica sem uso. Esses materiais funcionam melhor em temperaturas criogênicas muito baixas para uso prático.

Os sorventes de melhor desempenho são materiais chamados estruturas metal-orgânicas, ou MOFs. Nestes materiais, ligantes rígidos feitos de átomos de carbono conectam íons metálicos individuais como as barras de um trepa-trepa em um playground. Para aumentar a quantidade de hidrogênio armazenado nos materiais, o consórcio recomenda adicionar elementos que agarram hidrogênio, como boro ou nitrogênio, nos ligantes de carbono que formam as paredes dos poros.

Os membros da equipe também desenvolveram MOFs nos quais mais de uma molécula de hidrogênio pode aderir a um íon metálico na estrutura. Junto com o aumento da capacidade de armazenamento, esses materiais interagem com o hidrogênio mais fortemente. Praticamente, isso significa que o gás adere às paredes dos poros em temperaturas mais altas.

Nanoestruturas aumentam a eficiência de armazenamento

A segunda classe de materiais de armazenamento de hidrogênio promissores são os hidretos de metal, um material que os pesquisadores Sandia vêm fazendo há décadas. Nestes materiais, íons metálicos retêm hidrogênio com ligações químicas. Romper essas ligações permite que o gás hidrogênio seja liberado para uso em uma célula de combustível.

Contudo, esses materiais formam ligações fortes com o hidrogênio, e energia é necessária para liberar o gás armazenado. Reduzir o tamanho das partículas de hidreto de grãos macroscópicos para nanoaglomerados mais de dez mil vezes menores do que a largura de um cabelo humano torna o material muito mais reativo, permitindo que ele libere hidrogênio em temperaturas mais baixas. Stavila e seus colegas usam materiais porosos, como um MOF ou carbono poroso, como modelos para controlar o tamanho do cluster e evitar que se agrupem.

"Aprendemos durante a primeira fase do HyMARC que fazer hidretos de metal nanoestruturados nos permite ajustar a força das ligações formadas com o hidrogênio e mudar a rapidez com que o hidrogênio se liga e deixa a superfície, "Stavila disse." Isso significa que menos energia é necessária para liberar o gás.

Os pesquisadores estão testando os hidretos em nanoescala para recursos, como reversibilidade de armazenamento e capacidade de armazenamento utilizável, que são importantes para aplicações futuras. "Estamos construindo confiança de que hidretos em nanoescala podem ser materiais de armazenamento práticos, "Stavila disse.

O grupo também está usando uma técnica de ciência da computação chamada aprendizado de máquina para identificar rapidamente as propriedades físicas desses materiais de armazenamento que se correlacionam com o desempenho necessário para atingir as metas federais. Sua abordagem permite que eles entendam como o computador identificou suas previsões. "Estamos gerando uma visão científica para criar uma nova intuição de como esses materiais se comportam, "Allendorf disse.

"Identificar materiais de armazenamento de hidrogênio que podem atender a todas as metas DOE é um passo essencial para a transição para uma economia futura de hidrogênio, " ele disse.

Para veículos movidos a hidrogênio, atender a essas metas de materiais de armazenamento significa que esses veículos podem ter driving range, tempos de reabastecimento e custos de combustível semelhantes aos dos veículos convencionais.

"Embora os desafios técnicos sejam grandes, "Allendorf disse, "a equipe HyMARC está altamente motivada pela importância de seu papel e por suas recentes descobertas que apontam o caminho para materiais de sucesso."