Melhorando o armazenamento de hidrogênio MgH₂ com nanofolhas de H-V₂O₅ enriquecidas com oxigênio como uma bomba H ativa
Crédito:Cartas Nano-Micro (2024). DOI:10.1007/s40820-024-01375-8 Com o esgotamento dos combustíveis fósseis e o aquecimento global, há uma necessidade urgente de procurar recursos energéticos verdes, limpos e eficientes. Neste contexto, o hidrogénio é considerado um potencial candidato à substituição dos combustíveis fósseis devido à sua elevada densidade energética e natureza amiga do ambiente. Para concretizar o desenvolvimento de uma economia do hidrogénio, são cruciais tecnologias de armazenamento de hidrogénio seguras e eficientes.
Em comparação com as tecnologias tradicionais de armazenamento de hidrogênio comprimido e de hidrogênio líquido criogênico, o armazenamento de hidrogênio em estado sólido é considerado um método mais seguro e eficiente. Hidreto de magnésio (MgH2 ), como um dos mais promissores materiais de armazenamento de hidrogênio no estado sólido, tem atraído a atenção devido aos seus abundantes recursos elementares, alta capacidade de armazenamento de hidrogênio, boa reversibilidade e não toxicidade. No entanto, a temperatura operacional relativamente alta do MgH2 limita sua aplicação comercial em larga escala no armazenamento de hidrogênio veicular ou estacionário.
A introdução de catalisadores à base de metais de transição com estruturas eletrônicas tridimensionais únicas é considerada um método eficaz para melhorar a cinética do MgH2 . Vanádio (V) e seus óxidos são frequentemente usados como catalisadores para MgH2 devido à sua multivalência e alta atividade catalítica. No entanto, devido à alta ductilidade do vanádio metálico e à atividade relativamente baixa, os óxidos à base de vanádio têm perspectivas de aplicação mais amplas.
Camada V2 O5 com uma estrutura em camadas é um dos catalisadores promissores para melhorar o desempenho de armazenamento de hidrogênio do MgH2 /Mg, mas capacidade catalítica limitada devido ao contato insuficiente entre V2 O5 e MgH2 .
Para resolver esse problema, a equipe do Dr. Jianxin Zou da Universidade Jiao Tong de Xangai empregou um método solvotérmico seguido de hidrogenação subsequente para preparar V2 hidrogenado ultrafino. O5 nanofolhas com abundantes vagas de oxigênio e as usou como catalisadores para melhorar o desempenho de armazenamento de hidrogênio de MgH2 .
O estudo foi publicado na revista Nano-Micro Letters .
O MgH2 -HV2 O5 o material compósito exibe excelente desempenho de armazenamento de hidrogênio, incluindo uma temperatura de dessorção mais baixa (Tonset =185°C), cinética de dessorção rápida (Ea =84,55 kJ mol
−1
H2 para dessorção) e estabilidade cíclica de longo prazo (retenção de capacidade de até 99% após 100 ciclos). Particularmente, o MgH2 -HV2 O5 o material compósito apresenta excelente desempenho de absorção de hidrogênio à temperatura ambiente, com uma capacidade de absorção de hidrogênio de 2,38% em peso em 60 minutos a 30°C.
O H-V2 O5 nanofolhas sintetizadas pela equipe do Dr. Zou possuem uma estrutura bidimensional única e abundantes vagas de oxigênio, permitindo a formação in-situ de V/VH2 durante o processo de reação, o que contribui para melhorar o desempenho do armazenamento de hidrogênio do MgH2 .
Ao usar um método solvotérmico para criar uma estrutura em camadas anisotrópicas distintas, uma superfície altamente exposta é formada, proporcionando assim mais locais ativos e caminhos para a difusão de hidrogênio/elétrons, melhorando assim o desempenho do armazenamento de hidrogênio. Além disso, crucialmente, a presença de vacâncias de oxigênio acelera a transferência de elétrons, estimulando o efeito de "bomba de hidrogênio" de VH2 /V, facilitando a desidrogenação de VH2 e MgH2 e reduzindo as barreiras energéticas para a dissociação e recombinação do hidrogênio.
A introdução da engenharia de defeitos de vacância de oxigênio no catalisador abre um novo caminho para melhorar a estabilidade cíclica e o desempenho cinético do MgH2 .
