Uma mistura pulverulenta de nanocristais de metal envoltos em folhas de camada única de átomos de carbono, desenvolvido no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), mostra a promessa de armazenamento seguro de hidrogênio para uso com células de combustível para veículos de passageiros e outros usos. E agora, um novo estudo fornece uma visão sobre os detalhes atômicos do revestimento ultrafino dos cristais e como ele serve como proteção seletiva ao mesmo tempo em que aprimora seu desempenho no armazenamento de hidrogênio.

O estudo, liderado por pesquisadores do Berkeley Lab, valeu-se de uma gama de experiência e recursos de laboratório para sintetizar e revestir os cristais de magnésio, que medem apenas 3-4 nanômetros (bilionésimos de um metro) de diâmetro; estudar sua composição química em nanoescala com raios-X; e desenvolver simulações de computador e teorias de suporte para entender melhor como os cristais e seu revestimento de carbono funcionam juntos.

As descobertas da equipe científica podem ajudar os pesquisadores a entender como revestimentos semelhantes também podem melhorar o desempenho e a estabilidade de outros materiais que são promissores para aplicações de armazenamento de hidrogênio. O projeto de pesquisa é um dos vários esforços dentro de um esforço de P&D de vários laboratórios conhecido como Materiais de Hidrogênio - Consórcio de Pesquisa Avançada (HyMARC) estabelecido como parte da Rede de Materiais de Energia pelo Escritório de Tecnologias de Célula de Combustível do Departamento de Energia dos EUA no Escritório de Energia Eficiência e energia renovável.

Óxido de grafeno reduzido (ou rGO), que se assemelha ao mais famoso grafeno (uma folha estendida de carbono, apenas um átomo de espessura, dispostos em um padrão de favo de mel), tem buracos em nanoescala que permitem que o hidrogênio passe, enquanto mantém as moléculas maiores afastadas.

Este invólucro de carbono foi concebido para evitar que o magnésio - que é usado como um material de armazenamento de hidrogênio - reaja com seu ambiente, incluindo oxigênio, vapor de água e dióxido de carbono. Essas exposições podem produzir uma camada espessa de oxidação que impediria o hidrogênio de entrar em contato com as superfícies de magnésio.

Mas o último estudo sugere que uma camada atomicamente fina de oxidação se formou nos cristais durante sua preparação. E, ainda mais surpreendente, esta camada de óxido não parece degradar o desempenho do material.

"Anteriormente, achamos que o material estava muito bem protegido, "disse Liwen Wan, um pesquisador de pós-doutorado na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um DOE Nanoscale Science Research Center, que atuou como autor principal do estudo. O estudo foi publicado no Nano Letras Diário. "De nossa análise detalhada, vimos algumas evidências de oxidação. "

Wan adicionado, "A maioria das pessoas suspeitaria que a camada de óxido é uma má notícia para o armazenamento de hidrogênio, o que pode não ser verdade neste caso. Sem esta camada de óxido, o óxido de grafeno reduzido teria uma interação bastante fraca com o magnésio, mas com a camada de óxido a ligação carbono-magnésio parece ser mais forte.

"Esse é um benefício que, em última análise, aumenta a proteção fornecida pelo revestimento de carbono, "ela notou." Não parece haver nenhuma desvantagem. "

David Prendergast, diretor do Centro de Teoria da Fundição Molecular e participante do estudo, observou que a geração atual de veículos movidos a hidrogênio aciona seus motores de célula de combustível usando gás hidrogênio comprimido. "Isso requer volumoso, tanques cilíndricos pesados ​​que limitam a eficiência de condução de tais carros, " ele disse, e os nanocristais oferecem uma possibilidade de eliminar esses tanques volumosos, armazenando hidrogênio dentro de outros materiais.

O estudo também ajudou a mostrar que a fina camada de óxido não necessariamente impede a taxa na qual este material pode absorver hidrogênio, o que é importante quando você precisa reabastecer rapidamente. Esta descoberta também foi inesperada com base na compreensão convencional do papel de bloqueio que a oxidação normalmente desempenha nesses materiais de armazenamento de hidrogênio.

Isso significa que os nanocristais embrulhados, em um contexto de armazenamento e abastecimento de combustível, absorveria quimicamente o gás hidrogênio bombeado em uma densidade muito maior do que a possível em um tanque de combustível de gás hidrogênio comprimido nas mesmas pressões.

Os modelos que Wan desenvolveu para explicar os dados experimentais sugerem que a camada de oxidação que se forma em torno dos cristais é atomicamente fina e estável ao longo do tempo, sugerindo que a oxidação não progride.

A análise foi baseada, em parte, em torno de experimentos realizados no Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), uma fonte de raios-X chamada síncrotron que foi usada anteriormente para explorar como os nanocristais interagem com o gás hidrogênio em tempo real.

Wan disse que a chave para o estudo foi interpretar os dados de raios-X de ALS simulando medições de raios-X para modelos atômicos hipotéticos da camada oxidada, e, em seguida, selecionar os modelos que melhor se adaptam aos dados. "A partir disso, sabemos como o material realmente se parece, " ela disse.

Embora muitas simulações sejam baseadas em materiais muito puros com superfícies limpas, Wan disse, neste caso, as simulações pretendiam ser mais representativas das imperfeições do mundo real dos nanocristais.

Uma próxima etapa, em experimentos e simulações, é usar materiais que são mais ideais para aplicações de armazenamento de hidrogênio do mundo real, Wan disse, tais como hidretos de metal complexos (compostos de hidrogênio-metal) que também seriam envolvidos em uma folha protetora de grafeno.

"Indo para hidretos metálicos complexos, você obtém capacidade de armazenamento de hidrogênio intrinsecamente maior e nosso objetivo é permitir a captação e liberação de hidrogênio a temperaturas e pressões razoáveis, "Wan disse.

Alguns desses materiais complexos de hidreto de metal são bastante demorados para simular, e a equipe de pesquisa planeja usar os supercomputadores do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab para este trabalho.

"Agora que temos uma boa compreensão dos nanocristais de magnésio, sabemos que podemos transferir essa capacidade de olhar para outros materiais para acelerar o processo de descoberta, "Wan disse.