Skoltechs forskare och deras kollegor från Shubnikov Institute of Crystallography of RAS och forskningscentra i Kina, Japan och Italien har upptäckt ett material för kemisk lagring av vätgas som kan ”suga upp” fyra gånger så mycket av denna svåråtkomliga gas som de nuvarande toppkonkurrenterna.
Att hitta effektiva sätt att lagra vätgas är avgörande för att integrera denna lovande energibärare i framtidens hållbara ekonomi. Med rätt lagringsteknik skulle vätgas en dag kunna användas som bränsle i industriella processer och transporter med höga temperaturer, samt för att balansera tillgång och efterfrågan i elnätet. Studien publiceras i tidskriften Advanced Energy Materials.
Vätgas förväntas spela en viktig roll i den framtida koldioxidsnåla ekonomin. Det kan produceras förnybart och förbrukas för att generera el eller värme via bränsleceller eller förbränning. Några av de områden som har mest att vinna på vätgasenergi är ståltillverkning, produktion av glas och cement samt den kemiska industrin.
Internationell sjöfart – och transport och rörlighet i allmänhet – skulle också gynnas. Dessutom kan vätgas bidra till att balansera elnätet genom att lagra överskottsenergi, inklusive den oregelbundna tillförseln från förnybara källor.
Ett stort hinder för en utbredd användning av vätgas är bristen på säker, hållbar och ekonomisk teknik för att lagra denna extremt lätta (14 gånger lättare än luft), reaktiva, svåråtkomliga och explosiva gas. För att samla och transportera vätgas i gasflaskor, rör, kryotankar och rörledningar kan den komprimeras eller kondenseras, eller kanske till och med omvandlas till ett fast ämne som består av H2-molekyler. Men det finns flera fallgropar med detta:
- Först och främst är en sådan process mycket dyr. Den komprimering och kylning som krävs motsvarar cirka 20-40% av den totala energi som vätet i slutändan ger – en mycket hög kostnad.
- Och även då är vätgas så lätt att det, trots att det är det överlägset mest energitäta kemiska bränslet sett till massa, bara innehåller ungefär hälften så mycket energi per volymenhet som naturgas – komprimerad eller flytande. Detta är särskilt olämpligt för fordon.
- Slutligen är vätgas den minsta molekylen, så den läcker lätt ut ur behållare och tränger till och med in i deras metallväggar, vilket gör dem spröda och orsakar sprickor och läckage.
”Alternativet är kemisk lagring”, säger en av huvudförfattarna till studien, Dmitrii Semenok, som har en doktorsexamen i materialvetenskap och teknik från Skoltech.
”Vissa material, till exempel magnesium-nickel- och zirkonium-vanadiumlegeringar, kan lagra väte i hålrummen mellan metallatomerna som utgör kristallstrukturen. Sådana ackumulatorer ger en relativt tät och säker lagring och frigör vätgas ganska snabbt vid uppvärmning.
”Men även om man kan finjustera metallegeringarna när det gäller de förhållanden som krävs för vätgasavskiljning och hur många laddnings- och urladdningscykler de tål, finns det en relativt hård gräns för hur mycket vätgas man kan klämma in i dessa material: ungefär två väteatomer per metallatom. Och det är den främsta förtjänsten.”
”De föreningar vi syntetiserade -cesiumheptahydrid CsH7 och rubidiumnonahydrid RbH9 – innehåller så mycket som sju respektive nio väteatomer per metallatom. Och vi förväntar oss att de är de första sådana väterika materialen som är stabila vid atmosfärstryck, även om det senare kräver ytterligare bekräftelse. Hur som helst är andelen väteatomer i dessa föreningar den högsta bland alla kända hydrider, dubbelt så hög som i metan CH4”, tillade Semenok.
Huvudforskaren bakom studien, professor Artem R. Oganov, som leder Material Discovery Laboratory vid Skoltech, förklarade: ”Vi reagerar det väterika pulvret av ammoniakboran med antingen cesium eller rubidium. Detta ger salter som kallas cesium- eller rubidiumamidoboraner. Värme sönderdelar dessa salter till cesium- eller rubidiummonohydrider och massor av väte.
”Eftersom experimentet utförs i en cell mellan två diamanter som utövar 100 000 gånger atmosfärstrycket, tvingas det extra vätet in i kristallgitterets hålrum och bildar cesiumheptahydrid och rubidiumnonahydrid – det senare i två distinkta kristallgittervarianter.”
Enligt forskarna är cesium och rubidium ”predestinerade för detta” på grund av hur stora deras atomer är, vilket resulterar i större hålrum i kristallstrukturen för väte att ockupera. Bildandet av föreningarna överensstämmer med förutsägelserna från både teamets simuleringar och de beräkningar som baseras på grundläggande fysikaliska lagar.
Närvaron av föreningarna bekräftades också med flera analytiska tekniker: Röntgenanalys, Raman-spektroskopi och reflektions-/transmissionsspektroskopi – det senare möjliggjordes av forskaren Denis Sannikov från Skoltechs Hybrid Photonics Lab.
Teamet avser nu att upprepa experimentet med hjälp av storskaliga hydraulpressar vid ett lägre tryck – cirka 10 000 atmosfärer – för att erhålla större mängder cesium- och rubidiumpolyhydrider och verifiera att dessa föreningar förblir stabila även vid atmosfärstryck, till skillnad från de andra polyhydrider som hittills är kända.
Ytterligare information: Di Zhou et al, Raisins in a Hydrogen Pie: Ultrastable Cesium and Rubidium Polyhydrides, Advanced Energy Materials (2024). DOI: 10.1002/aenm.202400077
