El tamiz molecular de hidruro de manganeso para el almacenamiento práctico de hidrógeno podría costar aproximadamente 5 veces menos que los tanques de 700 bar

Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado un tamiz molecular de hidruro de manganeso que se puede sintetizar fácilmente a partir de precursores económicos y demuestra un rendimiento de adsorción en exceso reversible del 10,5 % en peso y 197 kgH2m-3 a 120 bar a temperatura ambiente sin pérdida de actividad después de 54 ciclos. .

El equipo proyecta que las estimaciones razonables de los costos de producción y la pérdida de rendimiento debido a la implementación del sistema dan como resultado costos totales de almacenamiento de energía aproximadamente 5 veces más baratos que los de los tanques de 700 bares, lo que podría abrir puertas para una mayor adopción del hidrógeno como vector de energía. Se publica un artículo de acceso abierto sobre su trabajo en la revista RSC Energy & Environmental Science.

Para la futura aceptación en el mercado de los vehículos con pilas de combustible de hidrógeno o de los dispositivos portátiles, todavía es necesario desarrollar un sistema de almacenamiento de hidrógeno práctico, eficiente y de bajo coste, adecuado para todas las aplicaciones. Para conseguir una autonomía superior a los 500 km en un vehículo de pila de combustible, se necesitan unos 5 kg de hidrógeno. En los costosos cilindros de gas de hidrógeno no conformables de 700 bar de fibra de carbono, que se emplean en los vehículos de hidrógeno de primera generación de hoy en día, 5 kg de hidrógeno ocupan un volumen de aproximadamente 125 L, lo que impone restricciones no deseadas en el diseño del automóvil.

Un sistema de almacenamiento de hidrógeno basado en materiales brinda la posibilidad de almacenar hidrógeno a presiones más bajas con requisitos de gestión térmica simplificados que pueden reducir la complejidad y los costos del sistema tanto a bordo como de infraestructura. Si bien algunos hidruros metálicos se acercan a niveles de rendimiento prácticos, los problemas con la gestión del calor aún frustran sus aplicaciones.

… Por lo tanto, para facilitar la implementación de amplio alcance de los dispositivos de celdas de combustible, se requiere un material que posea altas capacidades de almacenamiento gravimétrico y volumétrico en condiciones ambientales, y que sea económico de producir y que no requiera una gran gestión del calor para reabastecerse. Dicho material también podría presentar una posible alternativa a las baterías de litio en dispositivos portátiles, donde los costos crecientes y la demanda de almacenamiento de energía son una preocupación.

Aquí presentamos un tamiz molecular de hidruro de manganeso (KMH-1 = Hidruro de manganeso de Kubas - 1) que se puede preparar en unos pocos pasos simples a partir de precursores económicos y posee un rendimiento de almacenamiento de hidrógeno que, incluso cuando se toman en cuenta las estimaciones sobre la implementación del sistema, puede ser suficiente para cumplir o superar los objetivos finales del sistema del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) de 6,5% en peso y 50 kgH2/m3 para 5 kg de hidrógeno.

Representación esquemática de la formación de nanoestructuras KMH-1 mediante un mecanismo de plantilla de micelas inversas que se espera del autoensamblaje en un medio no polar. Skipper et al.

En un artículo de 2012 (Skipper et al.), los investigadores señalaron que:

… una entalpía de enlace de hidrógeno y material de almacenamiento de entre 20 y 30 kJ mol−1 daría el mejor equilibrio entre la capacidad de almacenamiento y la energía requerida para liberar el hidrógeno. Para lograr una entalpía en este rango, se pueden incorporar metales a los materiales de almacenamiento, a los que el H2 se puede unir en forma de Kubas.

Una interacción de Kubas es consistente con un alargamiento del enlace H–H sin rotura e implica la donación σ del orbital de enlace σ H–H lleno a un orbital d vacío de un metal, y la donación inversa π simultánea de un orbital lleno. orbital d del metal en el orbital antienlazante σ* vacante de la molécula de H2.

Esto es similar al enlace sinérgico descrito por el modelo de Dewar-Chatt-Duncanson para la interacción de, por ejemplo, CO con metales de transición. La fabricación de materiales en estado sólido que utilizan la interacción de Kubas para almacenar hidrógeno es un gran desafío porque es difícil sintetizar un material que tenga una alta concentración de sitios de unión de baja valencia y baja coordinación (los metales de transición en estado sólido prefieren ser 6 coordenadas en la mayoría de los casos), peso ligero y suficiente porosidad para permitir que el hidrógeno se difunda a través de la estructura.

Los investigadores utilizaron sitios de unión de Kubas específicamente diseñados en una red de hidruro de manganeso poroso amorfo que actúa como su propio disipador de calor intrínseco a nanoescala, lo que hace que los requisitos de gestión del calor externo sean muy limitados o posiblemente incluso innecesarios.

El material almacena hidrógeno de forma reversible en condiciones ambientales y, dado que es termodinámicamente neutro, no requerirá una gran ingeniería para utilizarlo en el almacenamiento a bordo, en una amplia variedad de dispositivos portátiles e incluso para el transporte de grandes cantidades (remolque tubular o barco), mientras que en el al mismo tiempo que permite una disminución crucial en la complejidad y el costo de la infraestructura de apoyo.Antonelli et al.

Recursos

David M Antonelli, Michel Trudeau, Nikolas Kaltsoyannis, Juergen Eckert, Jan Peter Peter Embs, Leah Morris, James Hales y Peter Georgiev (2018) "Un tamiz molecular de hidruro de manganeso para el almacenamiento práctico de hidrógeno en condiciones ambientales" Energy & Environmental Science doi: 10.1039 /C8EE02499E

Tuan KA Hoang y David M. Antonelli (2009) "Explotación de la interacción Kubas en el diseño de materiales de almacenamiento de hidrógeno" Materiales avanzados, 21(18), 1787–1800 doi: 10.1002/adma.200802832

Publicado el 11 diciembre 2018 en Almacenamiento de hidrógeno, Hidrógeno, Materiales | Enlace permanente | Comentarios (9)