Wodór to wszechobecny pierwiastek występujący w wielu związkach, m.in. w wodzie, mogący służyć za wydajne źródło czystej energii. Na drodze do osiągnięcia konkurencyjności na rynku źródeł energii stoją jednak dwie trudności techniczne: wytwarzanie i wydajne magazynowanie. Drugi z tych problemów zgodnie z modelami teoretycznymi i symulacjami ma szansę zostać rozwiązany przez grafen, jednak wiele z przewidywań nie zostało jeszcze potwierdzonych na drodze doświadczalnej. Właściwości grafenu w tej dziedzinie wciąż są badane, a prototypy „grafenowych baków” na wodór są jeszcze poza naszym zasięgiem. W związku z tym zdarzenie „Zbiorniki na wodór II” zostało rozstrzygnięte na NIE.
Grafen ze względu na dwuwymiarową strukturę i możliwość tworzenia silnych wiązań chemicznych i fizycznych z wodorem (proces adsorpcji chemicznej i fizycznej), może przechowywać wodór z większą wydajnością niż obecnie stosowane materiały. Jak zostało podane w poprzednich artykułach, pierwsze poparte doświadczalnie informacje nad możliwością wykorzystania grafenu do magazynowania wodoru sięgają 2010 roku, pamiętnego ze względu na przyznanie Nagrody Nobla za badania nad grafenem. Jednak od tego czasu nie udało się opanować procesu, jakim jest wiązanie z grafenem większych ilości wodoru.
Jednym z większych osiągnięć na drodze doświadczalnej było wytworzenie materiału opartego na grafenie zdolnego do przechowywania wodoru o gęstości wagowej powyżej 4%. Materiał ten, złożony z pofałdowanych warstw grafenowych w formie proszku, zawiera liczne pory różnej wielkości. Struktura ta sprawia, że stosunek powierzchni do masy tego materiału przewyższa pozostałe materiały, przez co może najwydajniej absorbować znaczne ilości wodoru. Zgodnie ze zdaniem autorów prac dalsze modyfikacje wytworzonego materiału mogą jeszcze bardziej podnieść osiągalny poziom wydajności.
Bardziej wydajne struktury opracowuje się na drodze teorii, gdzie często pojawiają się nowe sposoby magazynowania wodoru. Między innymi próbuje się to osiągnąć zmieniając strukturę grafenu, np. łącząc poszczególne jego warstwy ‘grafenowymi filarami’ czy dodając między warstwami fulereny – sferyczne cząstki C60. Inne podejścia zakładają dodanie do struktur węglowych pojedynczych atomów, np. wapnia i krzemu, czy całych klastrów atomów, np. platyny.
W lutym br. została opublikowana praca, opisująca wyniki badań nad dość nietypowym zastosowaniem grafenu do magazynowania wodoru. Na drodze symulacji molekularnej wykazano, że powierzchnia grafenowa o określonym kształcie, może pod wpływem działania pola elektrycznego złożyć się w trójwymiarową klatkę w kształcie prostopadłościanu, wewnątrz której może zostać zamknięty wodór. Równie łatwo zmieniając pole elektryczne można taką klatkę otworzyć i wypuścić zmagazynowany wodór. Sami autorzy pracy przyrównali ten proces do składania orgiami w skali nano. Klatka o wymiarach 9x9x12nm może przechować aż 1468 atomów wodoru, co przekłada się na gęstość wagową na poziomie 9.5%.
Zgodnie z dyrektywą Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, do 2017 roku mają zostać wytworzone układy zdolne do przechowywania wodoru w samochodach w gęstości wagowej 5.5%, a do 2020 ma zostać przekroczony poziom 7.5%. Realizacja opisanych powyżej pomysłów w skali makro pozwoliłaby osiągnąć tę granicę, co mogłoby doprowadzić do przełomu w energetyce i motoryzacji, wciąż jednak nie potrafimy wystarczająco manipulować grafenem, szczególnie w większych ilościach. Marzenia o wytworzeniu pierwszego na świecie prototypowego zbiornika na wodór opartego na grafenie, czy innych strukturach węglowych, muszą jeszcze zaczekać.
Artykuł dotyczy rozstrzygnięcia zdarzenia Zbiorniki na wodór II. Zachęcamy do dyskutowania artykułu i rozstrzygnięcia w komentarzach na stronie zdarzenia.
Bibliografia:
http://jss.ecsdl.org/content/2/10/M3160.full
http://www.nanocenter.umd.edu/news/news_story.php?id=8016
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/sc3000306
http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/nn500025t
Powrót
