Cientistas do Rensselaer Polytechnic Institute estão trabalhando para otimizar um novo nanomaterial promissor chamado nanoblades para uso no armazenamento de hidrogênio. Durante o teste do novo material, eles descobriram que ele pode armazenar e liberar hidrogênio extremamente rápido e em baixas temperaturas em comparação com materiais semelhantes. Outro aspecto importante do novo material é que também é recarregável. Esses atributos podem torná-lo ideal para uso em armazenamento de hidrogênio a bordo para hidrogênio de próxima geração ou veículos de célula de combustível.

As descobertas sobre o desempenho das nano-lâminas foram publicadas na edição de setembro de 2011 da The International Journal of Hydrogen Energy em um artigo intitulado “Ciclo de baixa temperatura de hidrogenação-desidrogenação de nanobâminas de Mg decoradas com Pd”. A pesquisa é patrocinada pela National Science Foundation.

Os cientistas criaram as nano-lâminas baseadas em magnésio pela primeira vez em 2007. Ao contrário das nano-molas e hastes tridimensionais, nanolâminas são assimétricas. Eles são extremamente finos em uma dimensão e largos em outra dimensão, criando áreas de superfície muito grandes. Eles também estão espalhados com até um mícron entre cada lâmina.

Para armazenar hidrogênio, uma grande área de superfície com espaço entre as nanoestruturas é necessária para fornecer espaço para o material se expandir conforme mais átomos de hidrogênio são armazenados. A vasta área de superfície e o perfil ultrafino de cada nano-lâmina, juntamente com os espaços entre cada lâmina, poderia torná-los ideais para esta aplicação, de acordo com Gwo-Ching Wang, professor de física, física aplicada, e astronomia em Rensselaer.

Para criar as nano-lâminas, os pesquisadores usam deposição de vapor em ângulo oblíquo. Esta técnica de fabricação constrói nanoestruturas vaporizando um material - magnésio, neste caso - e permitindo que os átomos vaporizados se depositem em uma superfície em um ângulo oblíquo. O material acabado é então decorado com um catalisador metálico para capturar e armazenar o hidrogênio. Para esta pesquisa, as nano-lâminas foram revestidas com paládio.

Em seu artigo mais recente, os pesquisadores relatam seus testes de desempenho das nano-lâminas. Compreender como o material responde ao hidrogênio ao longo do tempo é essencial para melhorar o material para uso futuro em veículos a hidrogênio, de acordo com o pesquisador de pós-doutorado e autor principal do novo artigo Yu Liu.

“Os requisitos do Departamento de Energia são muito desafiadores para a tecnologia de armazenamento de hidrogênio existente, particularmente quando se trata de novos materiais de armazenamento de energia para armazenamento de hidrogênio a bordo, ”Disse Liu. “Todos os novos materiais devem operar em baixas temperaturas, dessorver hidrogênio rapidamente, ser eficiente em termos de custos, e ser reciclável. ”

Seu trabalho com nano-lâminas já se mostra promissor em todas essas áreas, de acordo com Wang e Liu.

O que eles descobriram é que as nano-lâminas começaram a liberar hidrogênio a 340 graus K (aproximadamente 67 graus Celsius). Quando a temperatura aumentou ligeiramente para 373 K (100 graus C), o hidrogênio armazenado nas nano-lâminas foi liberado em apenas 20 minutos. Muitos outros materiais requerem mais do que o dobro dessa temperatura para operar a essa taxa, de acordo com Liu.

Eles também descobriram que as nano-lâminas são recicláveis. Isso significa que eles podem ser recarregados após a liberação de hidrogênio e usados ​​continuamente. Essa capacidade de reutilização é essencial para aplicações práticas.

Usando uma técnica chamada difração de elétrons de alta energia de reflexão (RHEED) e dessorção programada por temperatura (TPD) - que são equipadas em um sistema integrado de ultra-alto vácuo com uma combinação de uma célula de reação de alta pressão e uma câmara de deposição de filme fino - eles descobriram que as nanolâminas atuais podem passar por mais de 10 ciclos de absorção e liberação de hidrogênio.

A técnica RHEED é diferente de outros processos, como difração de raios-X, porque monitora a estrutura próxima à superfície, Estágio, e o tamanho do grão do material conforme ele muda. Rastrear a evolução da superfície do material fornece uma visão de como a estrutura evolui ao longo do tempo.

Usando RHEED, eles descobriram que, com o tempo, o catalisador fica envenenado e o magnésio reage com o oxigênio. Isso causa oxidação, que, em última análise, degrada o material, causando alterações morfológicas e químicas no material.

Eles agora trabalharão para otimizar o material com diferentes catalisadores e revestimentos de proteção de polímero para melhorar o desempenho e aumentar o número de ciclos pelos quais o material pode passar sem degradação.

“Os próximos passos são melhorar a reciclabilidade, Disse Wang. “Encontramos a causa raiz da degradação do material; agora podemos começar a melhorar o material. ”