p As vezes, você tem que ir pequeno para ganhar muito. Essa é a abordagem de um multilab, A equipe interdisciplinar utilizou nanopartículas e um novo sistema de nanoconfinamento para desenvolver um método para alterar as propriedades de armazenamento de hidrogênio. Esta descoberta pode permitir a criação de materiais de armazenamento de hidrogênio de alta capacidade, capazes de reabastecimento rápido, melhorando o desempenho de veículos elétricos emergentes de célula de combustível de hidrogênio. Sandia National Laboratories, Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e a Universidade Mahidol em Bangkok, Tailândia, colaborou na pesquisa, que foi publicado em 8 de fevereiro na revista Interfaces de materiais avançados . p Acelerando a absorção e liberação de hidrogênio

p Veículos de célula de combustível de hidrogênio são alimentados por uma reação eletroquímica entre hidrogênio e oxigênio dentro de uma célula de combustível. Enquanto o oxigênio é fornecido pelo ar, o hidrogênio deve ser armazenado separadamente no veículo. Os veículos elétricos com células de combustível atuais armazenam hidrogênio como um gás de alta pressão.

p Um material sólido pode atuar como uma esponja para a absorção e liberação de hidrogênio, em termos químicos, hidrogenação e desidrogenação. Assim, o uso de tal material de armazenamento de hidrogênio pode aumentar a quantidade de hidrogênio que pode ser armazenado. O material deve ser capaz de armazenar hidrogênio suficiente para que o veículo percorra pelo menos 300 milhas antes de reabastecer.

p "Existem dois problemas críticos com as esponjas existentes para armazenamento de hidrogênio, "disse o químico de Sandia Vitalie Stavila." A maioria não consegue absorver hidrogênio suficiente para os carros. Também, as esponjas não liberam e absorvem hidrogênio rápido o suficiente, especialmente em comparação com os 5 minutos necessários para abastecer. "

p Neste esforço, Stavila explicou, a equipe interdisciplinar de cientistas trabalhou de perto na síntese, caracterização e modelagem para melhorar as propriedades do nitreto de lítio, uma promissora esponja de armazenamento de hidrogênio. A equipe também desenvolveu uma compreensão fundamental de por que a nanometria melhora as propriedades de armazenamento de hidrogênio desse material.

p Confinando o espaço

p A ideia veio do estudante de pós-graduação da Mahidol University Natchapol "Golf" Poonyayant, que abordou Sandia com a ideia de usar nanoconfinamento para aumentar as reações de armazenamento de hidrogênio em compostos contendo nitrogênio. Trabalhando com os pesquisadores Sandia, Poonyayant, seu conselheiro, Pasit Pakawatpanurut, e o colega aluno da Mahidol, Natee "Game" Angboonpong, descobriram que a amônia líquida poderia ser usada como um solvente suave e eficiente para a introdução de metais e nitrogênio nos bolsos das nanopartículas de carbono, produção de partículas de nitreto de lítio nanoconfinadas.

p O novo material que surgiu da ideia de Poonyayant mostrou algumas propriedades incomuns e inesperadas. Primeiro, a quantidade de nitreto de lítio no hospedeiro nanopartículas de carbono foi bastante alta para um sistema nanoconfinado, cerca de 40 por cento. Segundo, o nitreto de lítio nanoconfinado absorveu e liberou hidrogênio mais rapidamente do que o material a granel. Além disso, uma vez que o nitreto de lítio foi hidrogenado, ele também liberou hidrogênio em apenas uma etapa e muito mais rápido do que o sistema em massa que executou duas etapas.

p "Em outras palavras, as vias químicas para absorção e liberação de hidrogênio neste material de armazenamento de hidrogênio foram dramaticamente alteradas para melhor, "disse o químico Lennie Klebanoff da Sandia.

p Entendendo o quebra-cabeça

p Para entender melhor o mecanismo responsável por esta melhoria, os cientistas Sandia entraram em contato com o cientista computacional Brandon Wood do LLNL, um dos principais especialistas na teoria das reações de estado sólido. Wood e seus colegas do LLNL Tae Wook Heo, Jonathan Lee e Keith Ray descobriram que a razão para o comportamento incomum era a energia associada a duas interfaces materiais.

p Uma vez que as nanopartículas de nitreto de lítio têm apenas 3 nanômetros de largura, mesmo o menor processo energeticamente desfavorável é evitado nas propriedades de armazenamento de hidrogênio. Para nanopartículas de nitreto de lítio passando por reações de hidrogenação, evitar intermediários desfavoráveis ​​- etapas extras no processo químico - aumenta a eficiência.

p Tomando o caminho de menor resistência, o material passa por um caminho de uma única etapa até a hidrogenação completa. De forma similar, uma vez hidrogenado, as nanopartículas liberam hidrogênio pela via de energia mais baixa disponível, que neste caso é a liberação direta de hidrogênio de volta ao nitreto de lítio.

p "Desta maneira, as nanointerfaces conduzem as propriedades de armazenamento de hidrogênio quando os materiais são feitos muito pequenos, por exemplo, com nanoconfinamento, "disse Wood." O controle intencional de nanointerfaces oferece uma nova maneira de otimizar a química da reação de armazenamento de hidrogênio. "

p O próximo passo

p De acordo com os pesquisadores Sandia e LLNL, a próxima etapa é entender melhor como as fases desidrogenadas e hidrogenadas do nitreto de lítio mudam em nanoescala. Este é um grande desafio para a equipe, já que requer a imagem de diferentes fases químicas dentro de uma partícula que tem apenas vários nanômetros de largura.

p A equipe utilizará os recursos do Consórcio de Pesquisa Avançada de Materiais de Armazenamento de Hidrogênio do DOE (HyMARC), liderado por Sandia e composto adicionalmente por cientistas do LLNL e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. A equipe planeja usar radiação síncrotron espacialmente resolvida da fonte de luz avançada do LBNL para sondar a química e a estrutura da interface.

p Além disso, uma vez que o hospedeiro de carbono nanoporoso é "peso morto" de uma perspectiva de armazenamento de hidrogênio, a equipe está examinando maneiras de "aliviar a carga" e encontrar materiais de carbono com mais nanobockets para uma determinada massa de carbono.

p "Estamos entusiasmados com este avanço técnico e entusiasmados para assumir o trabalho que temos pela frente, "disse Klebanoff." Mas é agridoce. Golfe, que inspirou este trabalho e conduziu muitas das sínteses, morreu tragicamente aos 25 anos durante a redação deste artigo. O mundo perdeu um jovem talentoso e nós perdemos um querido amigo de quem sentimos falta. Este trabalho e sua conta publicada são dedicados a Golf e sua família. "