Peneira molecular de hidreto de manganês para armazenamento prático de hidrogênio pode custar cerca de 5x menos do que tanques de 700 bar

Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu uma peneira molecular de hidreto de manganês que pode ser facilmente sintetizada a partir de precursores baratos e demonstra um desempenho reversível de adsorção em excesso de 10,5% em peso e 197 kgH2m-3 a 120 bar em temperatura ambiente sem perda de atividade após 54 ciclos .

A equipe projeta que estimativas razoáveis ​​de custos de produção e perda de desempenho devido à implementação do sistema resultam em custos totais de armazenamento de energia cerca de 5 vezes mais baratos do que os dos tanques de 700 bar, potencialmente abrindo portas para uma maior adoção do hidrogênio como vetor de energia. Um artigo de acesso aberto sobre seu trabalho foi publicado na revista RSC Energy & Environmental Science.

Para a futura aceitação no mercado de veículos com células de combustível de hidrogênio ou dispositivos portáteis, um sistema de armazenamento de hidrogênio eficiente, de baixo custo e prático e infraestrutura adequada para todas as aplicações ainda precisa ser desenvolvido. Para atingir uma autonomia superior a 500 km em um veículo com célula de combustível, são necessários cerca de 5 kg de hidrogênio. Nos caros cilindros de gás hidrogênio não conformáveis ​​de 700 bar de fibra de carbono, que são empregados nos veículos de hidrogênio de primeira geração de hoje, 5 kg de hidrogênio ocupam um volume de cerca de 125 L, colocando assim restrições indesejadas no design do automóvel.

Um sistema de armazenamento de hidrogênio baseado em material oferece a possibilidade de armazenar hidrogênio a pressões mais baixas com requisitos de gerenciamento térmico simplificados que podem reduzir a complexidade e os custos do sistema a bordo e da infraestrutura. Embora alguns hidretos metálicos se aproximem de níveis de desempenho práticos, problemas com o gerenciamento de calor ainda impedem suas aplicações.

… Portanto, para facilitar a implementação de amplo escopo de dispositivos de célula de combustível, é necessário um material que possua altas capacidades de armazenamento gravimétrico e volumétrico sob condições ambientais, e seja econômico para produzir e não exija gerenciamento extensivo de calor para reabastecer. Esse material também pode apresentar uma possível alternativa às baterias de lítio em dispositivos portáteis, onde os custos crescentes e a demanda por armazenamento de energia são uma preocupação.

Aqui apresentamos uma peneira molecular de hidreto de manganês (KMH-1 = Kubas Manganese Hydride - 1) que pode ser preparada em algumas etapas simples a partir de precursores baratos e possui desempenho de armazenamento de hidrogênio que, mesmo quando as estimativas na implementação do sistema são levadas em consideração, pode ser suficiente para atingir ou ultrapassar as metas finais do sistema do Departamento de Energia dos EUA (DOE) de 6,5% em peso e 50 kgH2/m3 para 5 kg de hidrogênio.

Representação esquemática da formação da nanoestrutura KMH-1 por um mecanismo inverso de modelagem de micela esperado da automontagem em um meio apolar. Skipper e outros.

Em um artigo de 2012 (Skipper et al.), os pesquisadores observaram que:

… uma entalpia de ligação do hidrogênio do material de armazenamento entre 20–30 kJ mol-1 daria o melhor equilíbrio entre a capacidade de armazenamento e a energia necessária para liberar o hidrogênio. Para atingir uma entalpia nessa faixa, metais podem ser incorporados aos materiais de armazenamento, aos quais o H2 pode se ligar de maneira Kubas.

Uma interação de Kubas é consistente com um alongamento da ligação H-H sem quebra e envolve doação σ do orbital de ligação σ H-H preenchido para um orbital d vazio de um metal, e simultânea doação π de um orbital preenchido orbital d do metal no orbital antiligante σ* vago da molécula de H2.

Isso é semelhante à ligação sinérgica descrita pelo modelo de Dewar-Chatt-Duncanson para a interação de, por exemplo, CO com metais de transição. A fabricação de materiais no estado sólido que usam a interação de Kubas para armazenar hidrogênio é um grande desafio porque é difícil sintetizar um material que tenha alta concentração de sítios de ligação de baixa valência e baixa coordenação (os metais de transição no estado sólido preferem ser 6-coordenada na maioria dos casos), peso leve e porosidade suficiente para permitir que o hidrogênio se difunda pela estrutura.

Os pesquisadores usaram locais de ligação Kubas especificamente adaptados em uma rede de hidreto de manganês porosa amorfa que atua como seu próprio dissipador de calor intrínseco em nanoescala, tornando os requisitos externos de gerenciamento de calor muito limitados ou possivelmente até desnecessários.