Die höhere Kapazität und Effizienz der Materialien könnte die Messlatte für die Wasserstofftechnologie senken

Die Sandia-Forscher Vitalie Stavila (links) und Mark Allendorf sind Teil eines Multilab-Konsortiums, um Speichermaterialien für zukünftige wasserstoffbetriebene Verkehrsmittel voranzutreiben. Bildnachweis: Dino Vornas

Wasserstoff als kohlenstofffreier Energieträger könnte in eine Vielzahl von Sektoren expandieren, darunter industrielle Prozesse, Gebäudewärme und Verkehr. Derzeit treibt es eine wachsende Flotte emissionsfreier Fahrzeuge an, darunter Züge in Deutschland, Busse in Südkorea, Autos in Kalifornien und Gabelstapler weltweit. Diese Fahrzeuge verwenden eine Brennstoffzelle, um Wasserstoff- und Sauerstoffgase zu kombinieren und Strom zu erzeugen, der einen Motor antreibt. Wasserdampf ist ihre einzige Emission.

Damit Wasserstoff weiter wachsen und Sektoren in der gesamten Wirtschaft verändern kann, ist eine neue Infrastruktur erforderlich. Wasserstoffbetriebene Autos speichern Wasserstoffgas an Bord mit einem 700-fach höheren Druck als der Atmosphärendruck, um so weit zu fahren wie herkömmliche Benzinfahrzeuge. Obwohl diese Technologie die Kommerzialisierung von wasserstoffbetriebenen Autos ermöglicht hat, kann sie die anspruchsvollen Energiedichteziele des US-Energieministeriums nicht erfüllen.

Mit Unterstützung des Brennstoffzellentechnologiebüros des DOE-Büros für Energieeffizienz und erneuerbare Energien entwickelt das Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), eine Multilab-Kollaboration, zwei Arten von Wasserstoffspeichermaterialien, um diese bundesstaatlichen Ziele zu erreichen. In der ersten Phase ihrer Arbeit hat die Gruppe Strategien identifiziert und Grundlagenforschung betrieben, um die Speicherkapazität von metallorganischen Gerüsten und die Speichereffizienz von Metallhydriden zu erhöhen.

Jetzt nutzt die neu erweiterte Zusammenarbeit die vielversprechendsten Strategien, um die Materialien für den zukünftigen Einsatz in Fahrzeugen zu optimieren und potenziell kompaktere Bordspeichersysteme, reduzierten Betriebsdruck und erhebliche Kosteneinsparungen zu bieten.

“Diese Vorteile könnten dazu beitragen, mehr Brennstoffzellenfahrzeuge auf die Straße zu bringen, indem sie ein Fahrerlebnis ermöglichen, das dem von konventionellen Fahrzeugen ähnelt”, sagte Mark Allendorf, Forscher bei Sandia National Laboratories und Co-Direktor des HyMARC-Konsortiums.

Das Konsortium untersucht nun Möglichkeiten, Wasserstoff reversibel aus Molekülen wie Ethanol zu entfernen. Diese molekularen Wasserstoffträger wären leichter zu Tankstellen zu transportieren als Wasserstoffgas, was die Effizienz der Kraftstoffversorgung erhöht und die Kosten von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sowie anderen Anwendungen senkt. Durchbrüche bei fortschrittlichen Wasserstoffspeichermaterialien aus HyMARC werden auch DOE’s unterstützen [email protected] Initiative zur Ermöglichung einer erschwinglichen groß angelegten Wasserstoffproduktion, -speicherung, -transport und -nutzung in mehreren Sektoren.

Konsortium geht weiter

Seit 2015 konzentrieren sich Forscher der nationalen Labors von Sandia, Lawrence Berkeley und Lawrence Livermore auf zwei Haupttypen von Wasserstoffspeichermaterialien, um herauszufinden, wie sich ihre Form, Struktur und chemische Zusammensetzung auf ihre Leistung auswirkt. Das HyMARC-Konsortium hat Forscher des National Renewable Energy Laboratory, des Pacific Northwest National Laboratory, des SLAC National Accelerator Laboratory und des National Institute of Standards and Technology hinzugefügt.

Die erweiterte Gruppe erhielt kürzlich eine zweite Finanzierungsrunde vom DOE-Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien, um Leistungsprobleme anzugehen, die verhindern, dass die vielversprechendsten Materialien die bundesstaatlichen Ziele für die Wasserstoffspeicherung erreichen. Um dies zu erreichen, haben die Forscher die relevantesten Herausforderungen identifiziert, die das Tempo der Innovation von Wasserstoffspeichermaterialien verlangsamen. Anschließend entwickeln sie Werkzeuge zur Bewältigung dieser Herausforderungen, darunter zuverlässige Methoden zur Herstellung der Materialien, neue Computermodelle zur Vorhersage von Materialeigenschaften, die ihre Speicherleistung beeinflussen, und neuartige Messmethoden, um die hohe Reaktivität einiger Materialien mit Feuchtigkeit und Sauerstoff zu berücksichtigen. “HyMARC stellt diese Tools anderen Labors zur Verfügung, die sie auf bestimmte Materialien anwenden”, sagte Allendorf. “Wir arbeiten auch mit ihnen zusammen, um ihre Forschung zu erleichtern.”

Zähmungstemperatur

Die erste für HyMARC interessante Materialklasse wird Sorbentien genannt. Diese Materialien haben winzige Poren, die wie Schwämme wirken, um Wasserstoffgas auf ihren Oberflächen zu adsorbieren und zu halten. Durch diese Poren entsteht ein Material mit hoher Oberfläche und damit Stauraum. Ein Gramm Material kann so viel Oberfläche haben wie ein ganzes Fußballfeld.

Das führt zu einem unerwarteten praktischen Effekt: Poröse Materialien können theoretisch mehr Wasserstoff aufnehmen als ein Hochdruck-Kraftstofftank, sagte Vitalie Stavila, Chemikerin bei Sandia. Da Wasserstoffgas jedoch schwach mit den Porenwänden interagiert, bleibt ein Großteil dieses Speicherraums ungenutzt. Diese Materialien funktionieren am besten bei kryogenen Temperaturen, die für den praktischen Gebrauch zu niedrig sind.

Die leistungsstärksten Sorbentien sind Materialien, die als metallorganische Gerüste oder MOFs bezeichnet werden. In diesen Materialien verbinden starre Linker aus Kohlenstoffatomen einzelne Metallionen wie die Riegel in einem Klettergerüst auf einem Spielplatz. Um die in den Materialien gespeicherte Wasserstoffmenge zu erhöhen, empfiehlt das Konsortium, den Kohlenstoff-Linkern, die die Porenwände bilden, wasserstoffbindende Elemente wie Bor oder Stickstoff hinzuzufügen.

Teammitglieder haben auch MOFs entwickelt, bei denen mehr als ein Wasserstoffmolekül an einem Metallion im Gerüst haften kann. Zusammen mit einer erhöhten Speicherkapazität wechselwirken diese Materialien stärker mit Wasserstoff. Praktisch bedeutet dies, dass das Gas bei höheren Temperaturen an den Porenwänden haften bleibt.

Nanostrukturen erhöhen die Speichereffizienz

Die zweite Klasse vielversprechender Wasserstoffspeichermaterialien sind Metallhydride, ein Material, das Sandia-Forscher seit Jahrzehnten herstellen. In diesen Materialien halten Metallionen Wasserstoff mit chemischen Bindungen. Das Aufbrechen dieser Bindungen ermöglicht die Freisetzung von Wasserstoffgas zur Verwendung in einer Brennstoffzelle.

Diese Materialien bilden jedoch starke Bindungen mit Wasserstoff, und es wird Energie benötigt, um gespeichertes Gas freizusetzen. Die Verkleinerung der Hydridpartikel von makroskopischen Körnern zu Nanoclustern, die mehr als zehntausend Mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares, macht das Material viel reaktiver, sodass es bei niedrigeren Temperaturen Wasserstoff freisetzen kann. Stavila und seine Kollegen verwenden poröse Materialien wie MOF oder porösen Kohlenstoff als Template, um die Clustergröße zu kontrollieren und zu verhindern, dass sie zusammenklumpen.

“Wir haben in der ersten Phase von HyMARC gelernt, dass wir durch die Herstellung nanostrukturierter Metallhydride die Stärke der mit Wasserstoff gebildeten Bindungen einstellen und ändern können, wie schnell Wasserstoff an der Oberfläche anlagert und die Oberfläche verlässt”, sagte Stavila. “Dadurch wird weniger Energie benötigt, um das Gas freizusetzen.”

Die Forscher testen die nanoskaligen Hydride auf Eigenschaften wie Speicherreversibilität und nutzbare Speicherkapazität, die für zukünftige Anwendungen wichtig sind. „Wir bauen das Vertrauen auf, dass Hydride im Nanomaßstab praktische Speichermaterialien sein können“, sagte Stavila.

Die Gruppe verwendet auch eine Informatiktechnik namens maschinelles Lernen, um schnell die physikalischen Eigenschaften dieser Speichermaterialien zu identifizieren, die mit der Leistung korrelieren, die zum Erreichen der Bundesziele erforderlich ist. Ihr Ansatz ermöglicht es ihnen zu verstehen, wie der Computer seine Vorhersagen identifiziert hat. „Wir generieren wissenschaftliche Erkenntnisse, um neue Erkenntnisse über das Verhalten dieser Materialien zu gewinnen“, sagte Allendorf.

„Die Identifizierung von Wasserstoffspeichermaterialien, die alle DOE-Ziele erfüllen können, ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft“, sagte er.

Für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge bedeutet die Erfüllung dieser Ziele für Speichermaterialien, dass solche Fahrzeuge ähnliche Reichweiten, Betankungszeiten und Kraftstoffkosten wie konventionelle Fahrzeuge haben könnten.

“Obwohl die technischen Herausforderungen groß sind”, sagte Allendorf, “ist das HyMARC-Team hoch motiviert durch die Bedeutung seiner Rolle und durch seine jüngsten Entdeckungen, die den Weg zu erfolgreichen Materialien weisen.”


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