Μέθοδος βασισμένη σε δομές ψευδαργύρου αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες υδρογόνου

Πηγή: Physorg, 2 Δεκεμβρίου 2005

Μια 'κρυμμένη' διάταξη συσσωρεύει περισσότερο υδρογόνο σε δομικά υλικά νανοκλίμακας, φτιαγμένα από ψευδάργυρο και μπορεί να δώσει μια βιώσιμη λύση στην αποθήκευση του υδρογόνου και, τελικά, την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων στα μελλοντικά αυτοκίνητα, σύμφωνα με τα νέα αποτελέσματα ερευνητών από το Εθνικό Ίδρυμα Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST).

Δεξιά εικόνα : Αυτή η φωτογραφία που λήφθηκε με σκέδαση νετρονίων αποκαλύπτει εκεί όπου τα μόρια του υδρογόνου (κόκκινοι και πράσινοι κύκλοι) συνδέονται με ένα μεταλλικό οργανικό πλαίσιο (MOF), έναν τύπο μιας ειδικής ένωσης για τις εφαρμογές αποθήκευσης του υδρογόνου. 

Χρησιμοποιώντας ακτίνες νετρονίων για έλεγχο, οι επιστήμονες του NIST βρήκαν που 'κλειδώνεται' το υδρογόνο σε πλέγμα συστάδων ψευδάργυρου και οξυγόνου σε ένα υλικό γνωστό ως μεταλλοργανικό πλαίσιο, ή MOF. Το νέο υλικό που ονομάστηκε MOF5, ένα ιδιαίτερο υλικό νανοκλίμακας που μελετληθηκε από τους Taner Yildirim και Michael Hartman έχει τέσσερις τύπους περιοχών που συγκρατούν το υδρογόνο, συμπεριλαμβανομένου κι ενός εκπληκτικού τρισδιάστατου δικτύου 'νανο-κλουβιών', που εμφανίζεται να σχηματίζεται όταν άλλες περιοχές γεμίζουν με υδρογόνο.

Αυτή η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, προτείνει ότι τα υλικά MOF μπορούν να κατασκευαστούν για να βελτιστοποιήσουν την αποθήκευση του υδρογόνου και να απελευθερώνονται αργότερα στα αυτοκίνητα. Επίσης, δείχνει ότι το MOF μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπα για τη σύνδεση των 'νανο-κλουβιών' υδρογόνου, δημιουργώντας έτσι υλικά με ασυνήθιστες ιδιότητες, λόγω ενός φαινομένου γνωστού ως κβαντικός περιορισμός. Από μία άποψη, αυτή η ανακάλυψη είναι ένα δώρο πέραν του συνηθισμένου.

Οι Yildirim και Hartman διαπίστωσαν ότι οι δύο σταθερότερες περιοχές στα υλικά αυτά προσφέρουν ένα ιδιαίτερο 'κρυφό' χώρο για την αποθήκευση του υδρογόνου, και γι αυτό το MOF έχει ήδη προσελκύσει το ενδιαφέρον. Οι πρώτες μελέτες ανέφεραν ότι, σε περίπου -200 βαθμούς Κελσίου, το MOF5 θα μπορούσε να συγκρατήσει λιγότερο από το 2% σε υδρογόνο.

Η έρευνα του NIST δείχνει να έχει άφθονα περιθώριο για βελτίωση. Στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η σύλληψη του υδρογόνου πλησίασε το 10% του βάρους του υλικού. (Οι αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν θέσει ένα επίπεδο περίπου 6% ως ελάχιστη ικανότητα για την οικονομικά βιώσιμη αποθήκευση του υδρογόνου). Ο όγκος δε του υδρογόνου συγκρατήθηκε μέσα στις κενές κοιλότητες νανοκλίμακας, στο εσωτερικό των συστάδων του ψευδαργύρου και του οξυγόνου.

Είναι σαν τα μόρια να συσκευάζονται με ένα τρόπο παρόμοιο με τον τρόπο που τα μήλα ή τα πορτοκάλια γεμίζουν ένα κύπελλο, εξηγούν οι ειδικό. Είναι σαν τα απροσδόκητα νανο-κλουβιά δίνουν τη δυνατότητα να ξεχειλίσουν.

Τα επίπεδα της αποθήκευσης του υδρογόνου 10% είναι ενθαρρυντικά, αλλά αυτά τα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν σε απίστευτα χαμηλές θερμοκρασίες. Οι Yildirim και Hartman λένε ότι ελπίζουν να καταλάβουν καλύτερα για το πώς τελικά θα φτάσουν σε πιο βελτιωμένα υλικά, κατάλληλα για πρακτικές εφαρμογές.