Исследование, проведенное учеными из лаборатории Беркли, основывалось на опыте и возможностях лаборатории по синтезу и покрытию кристаллов магния, размер которых составляет всего 3-4 нанометра (миллиардных долей метра); изучать их наноразмерный химический состав с помощью рентгеновских лучей; и разработать компьютерное моделирование и вспомогательные теории, чтобы лучше понять, как кристаллы и их углеродное покрытие работают вместе.Выводы научной группы могут помочь исследователям понять, как подобные покрытия могут также улучшить характеристики и стабильность других материалов, которые могут использоваться для хранения водорода. Этот исследовательский проект является одним из нескольких усилий в рамках многолабораторной научно-исследовательской работы, известной как Консорциум перспективных исследований по водородным материалам (HyMARC), созданной как часть Сети энергетических материалов Отделом технологий топливных элементов Министерства энергетики США в Офисе США. Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии.
Восстановленный оксид графена (или rGO), который напоминает более известный графен (протяженный лист углерода толщиной всего в один атом, расположенный в виде ячеистой структуры), имеет отверстия нанометрового размера, которые пропускают водород, удерживая более крупные молекулы на расстоянии.Эта углеродная оболочка была предназначена для предотвращения реакции магния, который используется в качестве материала для хранения водорода, с окружающей средой, включая кислород, водяной пар и углекислый газ.
Такое воздействие может привести к образованию толстого слоя окисления, который предотвратит попадание поступающего водорода на поверхности магния.Но последнее исследование предполагает, что атомарно тонкий слой окисления действительно образовался на кристаллах во время их приготовления. И, что еще более удивительно, этот оксидный слой, похоже, не ухудшает характеристики материала.
«Раньше мы думали, что материал очень хорошо защищен», — сказала Ливен Ван, научный сотрудник Molecular Foundry лаборатории Беркли, научного центра наноразмерных исследований Министерства энергетики США, которая выступила в качестве ведущего автора исследования. Исследование было опубликовано в журнале Nano Letters. «Из нашего подробного анализа мы увидели некоторые признаки окисления».Ван добавил: «Большинство людей заподозрит, что оксидный слой — плохая новость для хранения водорода, что, как оказалось, может быть неверным в данном случае. Без этого оксидного слоя восстановленный оксид графена имел бы довольно слабое взаимодействие с магнием, но с оксидным слоем связь углерод-магний кажется более сильной.
«Это преимущество, которое в конечном итоге усиливает защиту, обеспечиваемую углеродным покрытием», — отметила она. «Похоже, что обратной стороны нет».Дэвид Прендергаст, директор The Molecular Foundry’s Theory Facility и участник исследования, отметил, что нынешнее поколение автомобилей, работающих на водороде, приводит в действие свои двигатели на топливных элементах, используя сжатый газообразный водород. «Для этого требуются громоздкие, тяжелые цилиндрические резервуары, которые ограничивают эффективность вождения таких автомобилей», — сказал он, а нанокристаллы предлагают одну возможность для устранения этих громоздких резервуаров путем хранения водорода в других материалах.Исследование также помогло показать, что тонкий оксидный слой не обязательно препятствует скорости, с которой этот материал может поглощать водород, что важно, когда вам нужно быстро заправиться.
Это открытие также было неожиданным, исходя из общепринятого понимания блокирующей роли, которую окисление обычно играет в этих материалах-накопителях водорода.Это означает, что обернутые нанокристаллы в контексте хранения и подачи топлива будут химически поглощать закачанный газообразный водород с гораздо более высокой плотностью, чем это возможно в топливном баке со сжатым газообразным водородом при тех же давлениях.
Модели, которые Ван разработал для объяснения экспериментальных данных, предполагают, что слой окисления, который образуется вокруг кристаллов, является атомарно тонким и стабильным во времени, что предполагает, что окисление не прогрессирует.Анализ был частично основан на экспериментах, проведенных в Лаборатории Беркли Advanced Light Source (ALS), источнике рентгеновского излучения, называемом синхротроном, который ранее использовался для изучения того, как нанокристаллы взаимодействуют с газообразным водородом в реальном времени.
Ван сказал, что ключом к исследованию была интерпретация рентгеновских данных ALS путем моделирования рентгеновских измерений для гипотетических атомных моделей окисленного слоя с последующим выбором тех моделей, которые лучше всего соответствуют данным. «Из этого мы знаем, как на самом деле выглядит материал», — сказала она.Ван сказал, что хотя многие моделирование основано на очень чистых материалах с чистыми поверхностями, в данном случае имитация должна была быть более репрезентативной для реальных несовершенств нанокристаллов.Следующим шагом, как в экспериментах, так и в моделировании, является использование материалов, которые более идеальны для реальных приложений хранения водорода, сказал Ван, например, сложные гидриды металлов (соединения водорода с металлом), которые также можно было бы завернуть в защитный лист. графен.
«Переходя к комплексным гидридам металлов, вы получаете существенно более высокую емкость хранения водорода, и наша цель — обеспечить поглощение и высвобождение водорода при разумных температурах и давлениях», — сказал Ван.Моделирование некоторых из этих сложных металлогидридных материалов требует довольно много времени, и исследовательская группа планирует использовать для этой работы суперкомпьютеры в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) лаборатории Беркли.
«Теперь, когда у нас есть хорошее представление о нанокристаллах магния, мы знаем, что можем передать эту возможность для изучения других материалов, чтобы ускорить процесс открытия», — сказал Ван.