Cálculos teóricos identificam o principal gargalo de um material de armazenamento de hidrogênio em estado sólido

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Um grupo de pesquisadores identificou o principal obstáculo de um material comum de hidrogênio em estado sólido, abrindo caminho para futuras diretrizes de design e uso comercial generalizado.

Detalhes de suas descobertas foram publicados no Journal of Materials Chemistry Aonde o artigo foi apresentado como um artigo de capa frontal.

O hidrogênio desempenhará um papel significativo na geração de energia para o nosso futuro. É abundante e não produz emissões nocivas quando queimado. Mas o armazenamento e o transporte de hidrogênio são caros e arriscados.

Atualmente, o hidrogênio é armazenado por três métodos: armazenamento de hidrogênio gasoso em alta pressão, armazenamento de hidrogênio líquido em baixa temperatura e armazenamento de hidrogênio em estado sólido. Entre o armazenamento de hidrogênio em estado sólido, os materiais em estado sólido são geralmente os mais seguros e fornecem a maior densidade de armazenamento de hidrogênio.

Os hidretos metálicos há muito são explorados por sua grande potencialidade de armazenamento de hidrogênio e seu baixo custo. À medida que esses metais entram em contato com o hidrogênio gasoso, o hidrogênio é absorvido pela superfície. A entrada adicional de energia leva os átomos de hidrogênio a encontrarem seu caminho para as redes cristalinas do metal até que o metal fique saturado com hidrogênio. A partir daí, o material pode absorver e dessorver hidrogênio em quantidades maiores.

O hidreto de magnésio (MgH2) mostrou ser uma promessa imensa para uma capacidade superior de armazenamento de hidrogênio. No entanto, uma alta temperatura é necessária para que o MgH2 se decomponha e produza hidrogênio. Além disso, a complexa migração e dessorção de hidrogênio do material, que resulta em uma lenta cinética de desidrogenação, impediu sua aplicação comercial.

Durante décadas, os cientistas debateram por que a desidrogenação dentro do MgH2 é tão difícil. Mas agora, o grupo de pesquisa descobriu uma resposta.

Usando cálculos baseados na teoria funcional de densidade de polarização de spin com correções de van der Waals, eles descobriram um ‘efeito de explosão’ durante a desidrogenação do MgH2. As barreiras de desidrogenação iniciais mediram 2,52 e 2,53 eV, enquanto as barreiras de reação subsequentes foram de 0,12-1,51 eV.

O grupo realizou mais análises de ligação com o método de população de orbital de cristal de Hamilton, onde confirmaram que a força de ligação magnésio-hidreto diminuiu à medida que o processo de desidrogenação continuou.

“A migração de hidrogênio e a dessorção de hidrogênio são muito mais fáceis após o efeito de explosão inicial”, aponta Hao Li, professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku (WPI-AIMR) e autor correspondente do artigo. “Ajustes de engenharia estrutural que promovem esse processo de dessorção podem ser a chave para facilitar a dessorção de hidrogênio do MgH2”.

Li e seus colegas demonstraram que as lacunas de hidrogênio mantêm um alto grau de localização eletrônica quando existe a primeira camada de hidrogênio atômico. Análises das características cinéticas do MgH2 após a desidrogenação da superfície, realizadas por simulações de dinâmica molecular ab initio, também forneceram evidências adicionais.

“Nossas descobertas fornecem uma base teórica para a cinética de desidrogenação do MgH2, fornecendo diretrizes importantes para a modificação de materiais de armazenamento de hidrogênio à base de MgH2”, acrescenta Li.

Com informações de Science Daily.

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