Energilagring: Hydrogen kan pakkes ekstremt tæt i nanoporøst stof
Forskere ved Aarhus Universitet har opdaget et porøst materiale, hvor hydrogen kan pakkes dobbelt så tæt som i ren flydende hydrogen. Det skyldes, at hydrogen danner penta-molekylære enheder, som man ikke tidligere har observeret. Hydrogen danner også en ny type binding med gitterstrukturen, kaldet en hexahydrogenbinding. Denne opdagelse åbner nye perspektiver for effektiv og sikker energilagring.
I en nylig udgivet videnskabelig artikel i Nature Chemistry præsenterer et internationalt forskerteam ledet af Aarhus Universitet, Université Catholique de Louvain, Belgien og Max-Planck-Institut, Stuttgart, en betydelig udvikling inden for energilagring. Ved brug af et nano-porøst materiale baseret på magnesium borhydrid, γ-Mg(BH4)2, har forskerne opnået en tættere pakning af hydrogenmolekyler end man tidligere har set. Det kan give inspiration til nye måder at opbevare og transportere hydrogen, som er en nøglekomponent i overgangen til et mere ’grønt’ energisystem.
Ved hjælp af avancerede neutronsprednings-eksperimenter har det været muligt at klarlægge den nøjagtige atomare struktur og se helt præcist hvordan hydrogenmolekylerne er organiseret i det nano-porøse stof. Det er meget overraskende at hydrogenmolekyler adsorberes på andre positioner end nitrogen, og at der er plads til 3,5 gange flere hydrogenmolekyler end nitrogen. Det skyldes, at hydrogenmolekylerne kan danne penta-dihydrogenklustre, der ikke tidligere er observeret.
I penta-dihydrogenklustrene binder hydrogen-molekylerne sig på to forskellige måder. På den position, der fyldes først, bindes de med svage ikke-retningsbestemte van der Waals-interaktioner, som tillader at molekylerne roterer frit om deres massemidtpunkt.
Når der adsorberes mere hydrogen, så fyldes den næste position, hvor hydrogen binder sig til det nano-porøse stof. Forskerteamet har opdaget, at der er tale om en ny type retningsbestemt elektrostatisk binding. Hydrogenmolekylerne på denne position kan ikke rotere frit, men er fikseret af fire andre hydrogenatomer i gitterstrukturen. Makroskopisk volumetrisk måling af gasadsorption har bekræftet, at der er tale om to forskellige hydrogenpositioner i det faste stof og at den ene position fyldes før den næste. Det nano-porøse stof kan optage enormt meget hydrogen svarende til sammensætningen, γ-Mg(BH4)2×2,33H2. Det svarer til at hydrogen er dobbelt så tæt pakket i det porøse stof som i rent flydende hydrogen.
Hydrogen har i årtier været i fokus i forbindelse med opbevaring af vedvarende energi, fordi det har det absolut højeste vægtmæssige energiindhold. Til gengæld har det lavt rumfangsmæssigt energiindhold. Derfor har der tidligere være meget fokus på at adsorbere hydrogen i nano-porøst stof. Men det er ikke tidligere lykkedes at få så meget hydrogen ind i porøst stof, som i dette tilfælde. Det er heller ikke tidligere lykkedes at bestemme nøjagtigt hvordan de adsorberede molekyler organiseres og bindes til det porøse stof for at kunne pakkes så ekstremt tæt.
Disse nye opdagelser giver en grundvidenskabelig forståelse af hvordan hydrogen kan bindes i porøst stof og giver inspiration til udvikling af ny materialer til hydrogenopbevaring i fast stof.
Bag om forskningen
Studietype:
Eksperimentel kemi
Ekstern finansiering:
Studiet har fået støtte af National Research Foundation of Korea (NRF), German Research Foundation (DFG), F.R.S.-FNRS (Belgium), Fonds Spéciaux de Recherche (UCL), Fédération Wallonie-Bruxelles, General Motors Global R&D, NIST, US Department of Commerce, Helmholtz-Zentrum Berlin, Danmarks Frie Forskningsfond, Carlsberg Fondet, China Scholarship Council, US Department of Energy, Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium (HyMARC), US Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, Europakommissionen, Red Española de Supercomputación.
Interessekonflikter:
Forskeren erklærer, at der ingen interessekonflikter er i forbindelse med denne forskning.
Link til den videnskabelige artikel:
Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen
Hyunchul Oh, Nikolay Tumanov, Voraksmy Ban, Xiao Li, Bo Richter, Matthew R. Hudson, Craig M. Brown, Gail N. Iles, Dirk Wallacher, Scott W. Jorgensen, Luke Daemen, Rafael Balderas-Xicohténcatl, Yongqiang Cheng, Anibal J. Ramirez-Cuesta, Michael Heere, Sergio Posada-Pérez, Geoffroy Hautier, Michael Hirscher, Torben R. Jensen & Yaroslav Filinchuk
Nature Chemistry, 2024, 1-16 (6. Februar, 2024)
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01443-x
Kontaktinformation:
Professor Torben René Jensen
Aarhus Universitet
Institut for Kemi og Interdisciplinært Nanoscience Center (iNANO)
Email: trj@chem.au.dk