甜储氢材料中的“甜蜜点”

甜储氢材料中的“甜蜜点”

莱斯大学的工程师已经瞄准了最佳结构用于存储氢的“白色石墨烯纳米材料-设计像一个小人的摩天大楼“地板”氮化硼坐在一起,举行正是5.2埃除了氮化硼的支柱。

图片说明:莱斯大学的计算的最快的超级计算机上千小时的发现,包装成“白色石墨烯氢”涉及的摩天大楼像立柱和一维层,约5.2埃除了框架的结构优化。在这个例子中,氢分子(白色)在石墨烯片状层间(灰色)是由氮化硼柱子支撑(粉色和蓝色)。研究人员发现,完全由氮化硼构成的完全相同的结构具有前所未有的储存可用氢的能力。(信贷:Lei Tao /莱斯大学)

“动机是创建一个高效的物质可以吸收并持有大量的氢气的体积和重量,可以迅速地释放氢时的需要,”该研究的第一作者,Rouzbeh Shahsavari说,赖斯土木与环境工程助理教授。

氢是宇宙中最轻、最丰富的元素,其能量与质量比——例如,每磅原材料的可用能量——远远超过矿物燃料。这也是最清洁的发电方式:唯一的副产品是水。BCC研究市场分析师的2017份报告显示,全球对储氢材料和技术的需求每年将达到2021美元,达到54亿美元。

氢的主要缺点涉及到可移植性、存储和安全性。虽然在地下盐丘和特殊设计的储罐中,高压下可以储存大量的体积,但小型便携式坦克——相当于汽车油箱——迄今还没有工程师。

在计算Rice的两个最快的超级计算机,shahsavari和Rice的研究生硕朝发现的最佳结构的氮化硼储氢。材料的一种形式,六方氮化硼(BN),是由原子厚的片材的硼和氮,有时被称为“白色石墨烯由于原子间距完全一样的石墨烯碳原子在平片;

在shahsavari的多尺度材料实验室以前的研究发现,石墨和氮化硼复合材料保持足够的氢来的轻型燃料电池汽车能源的存储目标部门满足。

“材料的选择很重要,”他说。氮化硼比纯石墨烯、碳纳米管或石墨烯和氮化硼混合材料的吸氢性能更好。

“但间距和hBN片和柱子布置也很关键,”他说。“所以我们决定执行的所有工作最好hBN看到几何穷举搜索。我们还扩大了计算,以包括各种温度,压力和掺杂剂,微量元素,可以添加到氮化硼,以提高其储氢能力。

赵和Shahsavari建立了无数的“从头”测试,计算机模拟,利用物理学第一原理。Shahsavari说,方法是计算密集的但值得额外的努力,因为它提供了最精确的。

他说:“我们进行了近4000次从头计算,试图找到物质和几何紧密相连的甜蜜点,并共同努力优化储氢。”。

不同材料的储氢通过化学键合,Shahsavari说,氮化硼是一种吸附剂,认为氢通过物理债券,这是较弱的化学键。这是一个优势,当涉及到氢的存储因为吸附材料往往比他们的化学近亲放电更容易,Shahsavari说。

他说,在上层建筑中选择氮化硼片或管及其相应的间距是实现容量最大化的关键。

“没有支柱,床单很自然的坐在其他约3埃的分开,和很少的氢原子可以穿透空间,”他说。“当距离增加到6埃以上,容量也掉了下来。在5.2埃,有从天花板和地板合作的吸引力,和氢往往聚集在中间。相反,由纯BN管制成的模型,而不是薄板,存储容量较小。

Shahsavari说,模型显示,纯hBN管板结构可能把氢8重量%。(重量百分比浓度是衡量,类似于每百万件。)物理实验需要验证的能力,但美国能源部的最终目标是7.5重量%,和Shahsavari的模型表明更多的氢可如果锂微量添加到高温储存在他的结构。

最后,Shahsavari说,在公寓楼的违规行为,如结构表也可能证明是有用的工程师。

他说:“由于柱和地板之间的接合处的性质,在柱状氮化硼层中自然形成皱纹。”。事实上,这也可能是有益的,因为皱纹可以提供韧性。如果材料是放置载荷或冲击下,扣的形状可以解开不容易破碎。这可能会增加材料的安全性,这是氢存储设备的一个大问题。

“此外,BN的高导热性和灵活性,可以提供更多的机会来控制和释放动力学点播的吸附,”Shahsavari说。例如,可以通过施加外部电压、热量或电场来控制释放动力学。

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