Министерство энергетики установило стандарты для материалов для хранения, которые сделают водород практичным топливом для легких транспортных средств. Рисовая лаборатория материаловеда Рузбеха Шахсавари в новом вычислительном исследовании определила, что в качестве кандидата могут быть использованы столбчатый нитрид бора и графен.Исследование Шахсавари и Фарзане Шайеганфар опубликовано в журнале Американского химического общества Langmuir.
Лаборатория Шахсавари уже определила с помощью компьютерных моделей, насколько прочными и упругими будут графеновые структуры с колоннами, а позже добавила нанотрубки нитрида бора в смесь, чтобы смоделировать уникальную трехмерную архитектуру. (Были изготовлены образцы нанотрубок нитрида бора, бесшовно связанных с графеном.)Подобно тому, как колонны в здании освобождают пространство между этажами для людей, колонны из нитрида бора графена освобождают место для атомов водорода.
Задача состоит в том, чтобы заставить их входить и оставаться в достаточном количестве и выходить по требованию.В своем последнем моделировании молекулярной динамики исследователи обнаружили, что либо столбчатый графен, либо столбчатый графен из нитрида бора будет иметь большую площадь поверхности (около 2547 квадратных метров на грамм) с хорошими пригодными для повторного использования свойствами в условиях окружающей среды.
Их модели показали, что добавление кислорода или лития к материалам улучшило бы их связывание с водородом.Они сосредоточили моделирование на четырех вариантах: столбчатые структуры из нитрида бора или столбчатый нитрид бора графен, легированный кислородом или литием.
При комнатной температуре и атмосферном давлении графен нитрида бора, легированный кислородом, показал себя лучше всех, удерживая 11,6% своего веса в водороде (его гравиметрическая емкость) и около 60 граммов на литр (его объемная емкость); он легко превосходит конкурирующие технологии, такие как пористый нитрид бора, каркасы из оксидов металлов и углеродные нанотрубки.При низких температурах -321 градус по Фаренгейту материал содержал 14,77% своего веса в водороде.Текущая цель Министерства энергетики для экономичных носителей информации — это способность хранить более 5,5 процентов своего веса и 40 граммов на литр в водороде в умеренных условиях.
Конечная цель — 7,5 весовых процентов и 70 граммов на литр.Шахсавари сказал, что атомы водорода адсорбируются на нелегированный столбчатый нитрид бора графен благодаря слабым силам Ван-дер-Ваальса. Когда материал был легирован кислородом, атомы прочно связались с гибридом и создали лучшую поверхность для поступающего водорода, который, по словам Шахсавари, вероятно, будет доставлен под давлением и уйдет при сбросе давления.
«Добавление кислорода к субстрату дает нам хорошее сцепление из-за природы зарядов и их взаимодействия», — сказал он. «Известно, что кислород и водород обладают хорошим химическим сродством».Он сказал, что поляризованная природа нитрида бора, где он связывается с графеном, и подвижность электронов самого графена делают этот материал легко настраиваемым для приложений.
«Мы ищем золотую середину», — сказал Шахсавари, описывая идеальные условия как баланс между площадью поверхности материала и весом, а также рабочими температурами и давлениями. «На практике это возможно только с помощью компьютерного моделирования, потому что мы можем очень быстро протестировать множество вариантов. Экспериментаторам потребовались бы месяцы, чтобы сделать то, что у нас займет всего несколько дней».
Он сказал, что конструкции должны быть достаточно прочными, чтобы легко превосходить требования Министерства энергетики о том, что водородный топливный бак должен выдерживать 1500 циклов заряда-разряда.