Os engenheiros da Rice University se concentraram na arquitetura ideal para armazenar hidrogênio em nanomateriais de "grafeno branco" - um projeto como um arranha-céu liliputiano com "pisos" de nitreto de boro colocados um sobre o outro e mantidos precisamente 5,2 angstroms separados por pilares de nitreto de boro.

Os resultados aparecem no jornal Pequena .

"A motivação é criar um material eficiente que possa absorver e reter uma grande quantidade de hidrogênio - tanto em volume quanto em peso - e que possa liberar esse hidrogênio de forma rápida e fácil quando necessário, "disse o principal autor do estudo, Rouzbeh Shahsavari, professor assistente de engenharia civil e ambiental na Rice.

O hidrogênio é o elemento mais leve e abundante do universo, e sua relação energia-massa - a quantidade de energia disponível por libra de matéria-prima, por exemplo, excede em muito o dos combustíveis fósseis. É também a maneira mais limpa de gerar eletricidade:o único subproduto é a água. Um relatório de 2017 feito por analistas de mercado da BCC Research descobriu que a demanda global por materiais e tecnologias de armazenamento de hidrogênio provavelmente chegará a US $ 5,4 bilhões anualmente até 2021.

As principais desvantagens do hidrogênio estão relacionadas à portabilidade, armazenamento e segurança. Embora grandes volumes possam ser armazenados sob alta pressão em cúpulas de sal subterrâneas e tanques especialmente projetados, Tanques portáteis de pequena escala - o equivalente a um tanque de gasolina de automóvel - até agora iludiram os engenheiros.

Após meses de cálculos em dois dos supercomputadores mais rápidos de Rice, Shuo Zhao, estudante de graduação Shahsavari e Rice, encontraram a arquitetura ideal para armazenar hidrogênio em nitreto de boro. Uma forma do material, nitreto de boro hexagonal (hBN), consiste em folhas de boro e nitrogênio com a espessura de um átomo e às vezes é chamado de grafeno branco porque os átomos estão espaçados exatamente como os átomos de carbono em folhas planas de grafeno.

Trabalhos anteriores no Laboratório de Materiais Multiescala de Shahsavari descobriram que materiais híbridos de grafeno e nitreto de boro poderiam conter hidrogênio suficiente para atender às metas de armazenamento do Departamento de Energia para veículos leves com células de combustível.

“A escolha do material é importante, "disse ele." O nitreto de boro tem se mostrado melhor em termos de absorção de hidrogênio do que o grafeno puro, nanotubos de carbono ou híbridos de grafeno e nitreto de boro.

"Mas o espaçamento e a disposição das folhas e pilares de hBN também são críticos, "disse ele." Por isso decidimos realizar uma pesquisa exaustiva de todas as geometrias possíveis do hBN para ver qual funcionava melhor. Também expandimos os cálculos para incluir várias temperaturas, pressões e dopantes, oligoelementos que podem ser adicionados ao nitreto de boro para aumentar sua capacidade de armazenamento de hidrogênio. "

Zhao e Shahsavari configuraram vários testes "ab initio", simulações de computador que usaram os primeiros princípios da física. Shahsavari disse que a abordagem foi computacionalmente intensa, mas valeu o esforço extra porque ofereceu a maior precisão.

"Realizamos quase 4, 000 cálculos ab initio para tentar encontrar aquele ponto ideal onde o material e a geometria andam de mãos dadas e realmente trabalham juntos para otimizar o armazenamento de hidrogênio, " ele disse.

Ao contrário dos materiais que armazenam hidrogênio por meio de ligações químicas, Shahsavari disse que o nitreto de boro é um sorvente que retém o hidrogênio por meio de ligações físicas, que são mais fracas do que ligações químicas. Isso é uma vantagem quando se trata de retirar o hidrogênio do armazenamento, porque os materiais absorventes tendem a descarregar mais facilmente do que seus primos químicos, Shahsavari disse.

Ele disse que a escolha de folhas ou tubos de nitreto de boro e o espaçamento correspondente entre eles na superestrutura eram a chave para maximizar a capacidade.

“Sem pilares, os lençóis ficam naturalmente uns sobre os outros com cerca de 3 angstroms de distância, e muito poucos átomos de hidrogênio podem penetrar nesse espaço, "disse ele." Quando a distância cresceu para 6 angstroms ou mais, a capacidade também caiu. Em 5,2 angstroms, há uma atração cooperativa tanto do teto quanto do piso, e o hidrogênio tende a se agrupar no meio. Por outro lado, modelos feitos de tubos puramente BN - não de folhas - tinham menos capacidade de armazenamento. "

Shahsavari disse que os modelos mostraram que as estruturas de folha de tubo de hBN puro podem conter 8 por cento em peso de hidrogênio. (A porcentagem em peso é uma medida de concentração, semelhantes a partes por milhão.) Experimentos físicos são necessários para verificar essa capacidade, mas que a meta final do DOE é 7,5 por cento em peso, e os modelos de Shahsavari sugerem que ainda mais hidrogênio pode ser armazenado em sua estrutura se traços de lítio forem adicionados ao hBN.

Finalmente, Shahsavari disse, irregularidades no apartamento, folhas semelhantes a piso da estrutura também podem ser úteis para engenheiros.

"Rugas se formam naturalmente nas folhas de nitreto de boro em pilares por causa da natureza das junções entre as colunas e os pisos, "disse ele." Na verdade, isso também pode ser vantajoso porque as rugas podem fornecer resistência. Se o material for colocado sob carga ou impacto, essa forma curvada pode se soltar facilmente sem quebrar. Isso pode aumentar a segurança do material, o que é uma grande preocupação em dispositivos de armazenamento de hidrogênio.

"Além disso, a alta condutividade térmica e flexibilidade de BN podem fornecer oportunidades adicionais para controlar a cinética de adsorção e liberação sob demanda, "Shahsavari disse." Por exemplo, pode ser possível controlar a cinética de liberação aplicando uma tensão externa, calor ou um campo elétrico. "