O hidrogênio é o elemento mais leve e abundante da Terra e do nosso universo. Portanto, não deve ser uma grande surpresa que os cientistas estão buscando o hidrogênio como um produto limpo, livre de carbono, fonte de energia virtualmente ilimitada para carros e para uma variedade de outros usos, de geradores portáteis a torres de telecomunicações - tendo a água como único subproduto da combustão.

Embora ainda existam desafios científicos para tornar as fontes de energia baseadas em hidrogênio mais competitivas com os atuais sistemas de propulsão automotiva e outras tecnologias de energia, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab) desenvolveram uma nova receita de materiais para uma célula de combustível de hidrogênio semelhante a uma bateria - que envolve nanocristais de magnésio que absorvem hidrogênio com folhas de grafeno atomicamente finas - para impulsionar seu desempenho na chave áreas.

O grafeno protege os nanocristais de oxigênio, umidade e contaminantes, enquanto minúsculo, buracos naturais permitem que as moléculas menores de hidrogênio passem. Este processo de filtragem supera problemas comuns que degradam o desempenho de hidretos metálicos para armazenamento de hidrogênio.

Esses cristais de magnésio encapsulados em grafeno agem como "esponjas" para o hidrogênio, oferecendo uma maneira muito compacta e segura de absorver e armazenar hidrogênio. Os nanocristais também permitem um abastecimento mais rápido, e reduzir o tamanho geral do "tanque".

"Entre os materiais à base de hidreto de metal para armazenamento de hidrogênio para aplicações em veículos com células de combustível, nossos materiais têm bom desempenho em termos de capacidade, reversibilidade, cinética e estabilidade, "disse Eun Seon Cho, pesquisador de pós-doutorado no Berkeley Lab e autor principal de um estudo relacionado à nova fórmula de célula de combustível, publicado recentemente em Nature Communications .

Em um veículo movido a célula de combustível de hidrogênio usando esses materiais, conhecido como uma célula de combustível de "hidreto metálico" (hidrogênio ligado a um metal), o gás hidrogênio bombeado para um veículo seria quimicamente absorvido pelo pó nanocristalino de magnésio e tornado seguro em baixas pressões.

Jeff Urban, um cientista e co-autor da equipe do Berkeley Lab, disse, "Este trabalho sugere a possibilidade de armazenamento prático de hidrogênio e uso no futuro. Acredito que esses materiais representam uma abordagem geralmente aplicável para estabilizar materiais reativos enquanto ainda aproveita sua atividade única - conceitos que poderiam ter aplicações abrangentes para baterias, catálise, e materiais energéticos. "

A pesquisa, conduzido na Fundição Molecular e Fonte de Luz Avançada do Berkeley Lab, faz parte de um National Lab Consortium, apelidado de HyMARC (Materiais de Hidrogênio - Consórcio de Pesquisa Avançada) que busca armazenamento de hidrogênio mais seguro e econômico, e Urban é o cientista-chefe do Berkeley Lab para esse esforço.

A participação de mercado dos EUA para todos os veículos de tração elétrica em 2015, incluindo totalmente elétrico, híbridos e veículos híbridos plug-in, foi de 2,87 por cento, o que equivale a cerca de 500, 000 veículos elétricos de um total de vendas de veículos de cerca de 17,4 milhões, de acordo com estatísticas relatadas pela Electric Drive Transportation Association, uma associação comercial que promove veículos elétricos.

Os veículos de célula de combustível de hidrogênio ainda não tiveram grande destaque nas vendas de veículos, embora vários grandes fabricantes de automóveis, incluindo Toyota, Honda, e General Motors, têm investido no desenvolvimento de veículos de célula de combustível de hidrogênio. De fato, A Toyota lançou um modelo de pequena produção chamado Mirai, que usa tanques de hidrogênio comprimido, ano passado nos EUA

Uma vantagem potencial para veículos de célula de combustível de hidrogênio, além de seu impacto ambiental reduzido sobre os veículos de combustível padrão, é a alta energia específica do hidrogênio, o que significa que as células de combustível de hidrogênio podem potencialmente ocupar menos peso do que outros sistemas de bateria e fontes de combustível, enquanto geram mais energia elétrica.

Uma medida da capacidade de armazenamento de energia por peso das células a combustível de hidrogênio, conhecido como "densidade de energia gravimétrica, "é quase três vezes maior do que a gasolina. Urban observou que esta importante propriedade, se usado efetivamente, poderia estender a gama total de veículos de transporte à base de hidrogênio, e estender o tempo entre o reabastecimento para muitas outras aplicações, também.

Mais P&D é necessário para realizar o armazenamento de hidrogênio de maior capacidade para aplicações de veículos de longo alcance que excedem o desempenho das baterias de veículos elétricos existentes, Cho disse, e outras aplicações podem ser mais adequadas para células de combustível de hidrogênio a curto prazo, como fontes de energia estacionárias, empilhadeiras e veículos de aeroporto, fontes de energia portáteis, como carregadores de bateria de laptop, iluminação portátil, bombas de água e esgoto e equipamentos para serviços de emergência.

Cho disse que um obstáculo para o armazenamento de hidreto de metal tem sido uma taxa relativamente lenta na absorção (absorção) e distribuição (dessorção) de hidrogênio durante o ciclo das unidades. Em células de combustível, reações químicas separadas envolvendo hidrogênio e oxigênio produzem um fluxo de elétrons que são canalizados como corrente elétrica, criando água como um subproduto.

O pequeno tamanho dos nanocristais encapsulados em grafeno criados no Berkeley Lab, que medem apenas cerca de 3-4 nanômetros, ou bilionésimos de um metro de diâmetro, é a chave na rápida captura e liberação de hidrogênio pelos novos materiais de célula de combustível, Cho disse, já que eles têm mais área de superfície disponível para reações do que o mesmo material teria em tamanhos maiores.

Outra chave é proteger o magnésio da exposição ao ar, o que o tornaria inutilizável para a célula de combustível, ela adicionou.

Trabalhando na The Molecular Foundry, pesquisadores descobriram um simples, técnica escalonável e econômica de "uma panela" para misturar as folhas de grafeno e os nanocristais de óxido de magnésio no mesmo lote. Mais tarde, eles estudaram a estrutura dos nanocristais revestidos usando raios-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab. Os estudos de raios-X mostraram como o gás hidrogênio bombeado na mistura de células a combustível reagiu com os nanocristais de magnésio para formar uma molécula mais estável chamada hidreto de magnésio, enquanto impedia o oxigênio de atingir o magnésio.

"É estável no ar, o que é importante, "Cho disse.

As próximas etapas da pesquisa se concentrarão no uso de diferentes tipos de catalisadores - que podem melhorar a velocidade e a eficiência das reações químicas - para melhorar ainda mais a conversão da corrente elétrica da célula de combustível, e ao estudar se diferentes tipos de material também podem melhorar a capacidade geral da célula de combustível, Disse Cho.