Архитектура «белого графена» для хранения водорода

Инженеры из Университета Райса обнаружили идеальную архитектуру для хранения водорода в наноматериалах «белый графен» – дизайн, подобный лилийскому небоскребу с «полами» нитрида бора, уложенным один поверх другого и удерживаемый ровно на расстоянии 5,2 Å колоннами нитрида бора.

Тысячи часов вычислений на двух самых быстрых суперкомпьютерах Райс-университета обнаружили, что оптимальная архитектура для упаковки водорода в «белый графен» «предполагает создание небоскрепообразных каркасов вертикальных колонн и одномерных этажей, которые составляют около 5,2 Å. На этой иллюстрации молекулы водорода (белые) располагаются между листовыми полами графена (серого), которые поддерживаются колоннами из нитрида бора (розовый и синий). Исследователи обнаружили, что идентичные структуры, изготовленные целиком из нитрида бора, имели беспрецедентную емкость для хранения легкодоступного водорода. (Image credit: Lei Tao / Rice University)

Подробности исследования можно найти в журнале Small.

Мотивация заключается в создании эффективного материала, который может поглощать и удерживать много водорода – как по объему, так и по весу – и который может быстро и легко высвобождать этот водород, когда это необходимо.

Рузбе Шахшавари, ведущий автор и доцент кафедры гражданской и экологической инженерии – Райс.

Водород – самый обильный элемент и самый легкий во вселенной, а его отношение энергии к массе – количество доступной энергии на фунт сырья, например, намного превосходит количество ископаемого топлива. Это также самый чистый подход для производства электроэнергии: единственным производным является вода. Отчет аналитиков BCC Research от 2017 года показал, что международный спрос на материалы и технологии для хранения водорода, вероятно, достигнет к 2021 году $ 5,4 млрд.

Основные недостатки водорода связаны с хранением, переносимостью и безопасностью. В то время как большие объемы могут храниться под высоким давлением в специально разработанных резервуарах и подземных соляных куполах, небольшие портативные цистерны, аналогичные размерам автомобильного бензобака, до сих пор ускользали от инженеров.

После нескольких месяцев вычислений на двух самых быстрых суперкомпьютерах Райса, ученик Shahsavari и Rice Shuo Zhao обнаружил идеальную архитектуру для хранения водорода в нитриде бора. Одна форма материала, гексагональный нитрид бора (hBN), содержит толстые листы азота и бора и иногда называется белым графеном, потому что атомы расположены точно так же, как атомы углерода в плоских листах графена.

Ранее работа в Лаборатории Multiscale Materials Shahsavari показала, что гибридные материалы нитрида бора и графена могут содержать достаточное количество водорода, чтобы соответствовать целям хранения Департамента энергии для транспортных средств с легкими топливными элементами.

«Выбор материала важен», – сказал он. « Было показано, что нитрид бора лучше с точки зрения поглощения водорода, чем чистый графен, углеродные нанотрубки или гибриды графена и нитрида бора.

«Но расстояние и расположение листов и столбов hBN также являются критическими», – сказал он. «Таким образом, мы решили провести исчерпывающий поиск всех возможных геометрий hBN, чтобы увидеть, какие из них лучше всего работают. Мы также расширили вычисления, включив в них различные температуры, давления и легирующие примеси, микроэлементы, которые можно добавить к нитриду бора, чтобы повышают его емкость для хранения водорода ».

Чжао и Шахсавари создали множество тестов «ab initio», компьютерное моделирование, в которых применялись первые принципы физики. Шахсавари сказал, что этот метод был интенсивным с точки зрения вычислительной мощности, но он заслуживает дополнительных усилий, поскольку он обеспечивает максимальную точность.

«Мы провели почти 4 000 ab initio расчетов, чтобы попытаться найти это сладкое пятно, где материал и геометрия идут рука об руку и действительно работают вместе, чтобы оптимизировать хранение водорода», – сказал он.

В отличие от материалов, которые хранят водород через химическое связывание, Шахсавари сказал, что нитрид бора является сорбентом, который хранит водород через физические связи, которые являются более слабыми, чем химические связи. Это преимущество в плане получения водорода из хранилища, потому что материалы сорбента склонны к разрядке более легко, чем их химические кузены, сказал Шахсавари.

Он сказал, что выбор труб или литров нитрида бора и соответствующее расстояние между ними в надстройке являются основополагающими для максимизации мощности.

«Без столбов листы сидят естественно друг над другом на расстоянии около трех ангстрем, и очень мало атомов водорода может проникнуть в это пространство», – сказал он. « Когда расстояние увеличилось до 6 ангстрем или более, мощность также снизилась. При 5,2 ангстремах наблюдается совместное притяжение как от потолка, так и от пола, а водород имеет тенденцию к скоплению посередине. из чисто BN-трубок, а не листов, – имели меньшую емкость. "

Shahsavari сказал, что модели показали, что чистые структуры hBN-трубчатого листа могут содержать 8 мас.% Водорода. (Весовые проценты являются мерой концентрации, сродни части на миллион.) Для подтверждения этой емкости требуются физические эксперименты, но конечная цель DOE составляет 7,5 мас.%, А модели Шахсавари указывают, что еще больше водорода может храниться в его структуре, если следовые количества лития включены в hBN.

Наконец, Шахсавари сказал, что аномалии в квартире, напольные листы конструкции могут также оказаться полезными для инженеров.

« Морщины образуются естественным образом в листах столбчатого нитрида бора из-за природы стыков между колоннами и полами», – сказал он. « На самом деле это также может быть выгодным, потому что морщины могут обеспечить прочность. Если материал находится под нагрузкой или ударом, эта застегнутая форма может легко расстегиваться, не нарушая ее. Это может добавить к безопасности материала, что является большой в устройствах для хранения водорода ».

«Кроме того, высокая теплопроводность и гибкость BN могут обеспечить дополнительные возможности для контроля кинетики адсорбции и выброса по требованию», – сказал Шахсавари. «Например, может быть возможно контролировать кинетику высвобождения путем приложения внешнего напряжения, тепла или электрического поля».

Source link