Micrografias eletrônicas de transmissão de um composto estável ao ar composto de nanocristais de magnésio metálico em uma matriz de polímero de barreira de gás que permite o armazenamento de alta densidade e rápida liberação de hidrogênio sem a necessidade de pesado, catalisadores de metal caros. Crédito:Imagens do National Center for Electron Microscopy
Desde a década de 1970, o hidrogênio tem sido apontado como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis devido à sua combustão limpa - ao contrário dos combustíveis à base de hidrocarbonetos, que expelem gases de efeito estufa e poluentes nocivos, o único subproduto da combustão do hidrogênio é a água. Comparado com a gasolina, hidrogênio é leve, pode fornecer uma densidade de energia mais alta e está prontamente disponível. Mas há uma razão pela qual ainda não vivemos em uma economia de hidrogênio:para substituir a gasolina como combustível, o hidrogênio deve ser armazenado de forma segura e densa, ainda facilmente acessado. Limitada por materiais incapazes de superar esses obstáculos conflitantes, a tecnologia de armazenamento de hidrogênio ficou atrás de outros candidatos à energia limpa.
Nos últimos anos, pesquisadores tentaram resolver ambos os problemas bloqueando o hidrogênio em sólidos, empacotando grandes quantidades em volumes menores com baixa reatividade - uma necessidade para manter este gás volátil estável. Contudo, a maioria desses sólidos pode absorver apenas uma pequena quantidade de hidrogênio e requer aquecimento ou resfriamento extremo para aumentar sua eficiência energética geral.
Agora, cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) projetaram um novo material composto para armazenamento de hidrogênio consistindo de nanopartículas de metal de magnésio polvilhadas através de uma matriz de polimetil metacrilato, um polímero relacionado ao Plexiglas. Este nanocompósito flexível absorve e libera hidrogênio rapidamente em temperaturas modestas sem oxidar o metal após o ciclo - um grande avanço no design de materiais para armazenamento de hidrogênio, baterias e células de combustível.
"Este trabalho mostra nossa capacidade de projetar materiais compostos em nanoescala que superam as barreiras termodinâmicas e cinéticas fundamentais para realizar uma combinação de materiais que tem sido historicamente muito elusiva, "diz Jeff Urban, Diretor Adjunto da Instalação de Nanoestruturas Inorgânicas da Fundição Molecular, um centro de nanociência do DOE Office of Science e uma instalação de usuário nacional localizada no Berkeley Lab. "Além disso, somos capazes de alavancar de forma produtiva as propriedades únicas do polímero e da nanopartícula neste novo material composto, que pode ter ampla aplicabilidade a problemas relacionados em outras áreas de pesquisa de energia. "
Urbano, junto com os co-autores Ki-Joon Jeon e Christian Kisielowski usaram o microscópio TEAM 0.5 no National Center for Electron Microscopy (NCEM), outra instalação de usuário nacional do DOE Office of Science alojada no Berkeley Lab, para observar nanocristais de magnésio individuais dispersos por todo o polímero. Com os recursos de imagem de alta resolução do TEAM 0,5, o microscópio eletrônico mais poderoso do mundo, os pesquisadores também foram capazes de rastrear defeitos - vagas atômicas em uma estrutura cristalina ordenada de outra forma - fornecendo uma visão sem precedentes do comportamento do hidrogênio nesta nova classe de materiais de armazenamento.
Este esquema mostra nanocristais de magnésio de alta capacidade encapsulados em uma matriz de polímero de barreira de gás para criar um novo e revolucionário material composto de armazenamento de hidrogênio. Crédito:Imagem de Jeff Urban
"A descoberta de novos materiais que podem nos ajudar a encontrar uma solução de energia mais sustentável está no cerne da missão do Departamento de Energia. Nosso laboratório oferece excelentes experimentos para apoiar esta missão com grande sucesso, "diz Kisielowski." Confirmamos a presença de hidrogênio neste material por meio de investigações espectroscópicas dependentes do tempo com o microscópio TEAM 0.5. Esta investigação sugere que mesmo imagens diretas de colunas de hidrogênio em tais materiais podem ser tentadas usando o microscópio TEAM. "
"A natureza única do Berkeley Lab incentiva a colaboração entre divisões sem quaisquer limitações, "disse Jeon, agora no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan, cujo pós-doutorado com Urban levou a esta publicação.
Para investigar a absorção e liberação de hidrogênio em seu material nanocompósito, a equipe recorreu à Divisão de Tecnologias Ambientais e de Energia do Berkeley Lab (EETD), cuja pesquisa visa o desenvolvimento de tecnologias mais ecologicamente corretas para a geração e armazenamento de energia, incluindo armazenamento de hidrogênio.
"Aqui no EETD, temos trabalhado em estreita colaboração com a indústria para manter uma instalação de armazenamento de hidrogênio, bem como desenvolver protocolos de teste de propriedade de armazenamento de hidrogênio, "diz Samuel Mao, diretor do Laboratório de Energia Limpa do Laboratório de Berkeley e membro adjunto do corpo docente de engenharia da Universidade da Califórnia (UC), Berkeley. "Gostamos muito desta colaboração com Jeff e sua equipe na Divisão de Ciências de Materiais, onde desenvolveram e sintetizaram este novo material, e pudemos usar nossas instalações para pesquisas de armazenamento de hidrogênio. "
Adiciona Urbano, "Esta ciência ambiciosa está excepcionalmente bem posicionada para ser desenvolvida dentro do forte etos colaborativo aqui no Berkeley Lab. Os sucessos que alcançamos dependem criticamente de laços estreitos entre microscopia de ponta no NCEM, ferramentas e conhecimentos do EETD, e a caracterização e know-how de materiais da MSD. "
