Cientistas da Skoltech e seus colegas do Instituto Shubnikov de Cristalografia da RAS e de centros de pesquisa na China, Japão e Itália descobriram um material para armazenamento químico de hidrogênio que pode “absorver” quatro vezes mais desse gás difícil de conter do que os principais concorrentes atuais. Encontrar formas eficientes de confinar o hidrogénio

Cientistas da Skoltech e seus colegas do Instituto Shubnikov de Cristalografia da RAS e de centros de pesquisa na China, Japão e Itália descobriram um material para armazenamento químico de hidrogênio que pode “absorver” quatro vezes mais desse gás difícil de conter do que os principais concorrentes atuais. Encontrar formas eficientes de confinar o hidrogénio é crucial para integrar este promissor vetor de energia na economia sustentável do futuro. Com uma tecnologia de armazenamento adequada, o hidrogénio poderá um dia alimentar processos industriais e transportes de alta temperatura e servir para equilibrar a oferta e a procura na rede eléctrica. O estudo foi publicado na Advanced Energy Materials.

Espera-se que o hidrogénio desempenhe um papel importante na futura economia de baixo carbono. Pode ser produzido de forma renovável e consumido para gerar eletricidade ou calor através de células de combustível ou combustão. Algumas das áreas que mais têm a ganhar com a energia do hidrogénio são a siderurgia, a produção de vidro e cimento e a indústria química. O transporte marítimo internacional – e o transporte e a mobilidade em geral – também beneficiariam enormemente com o hidrogénio. Além disso, o hidrogénio poderia ajudar a equilibrar a rede elétrica, armazenando o excesso de energia, incluindo o fornecimento irregular de fontes renováveis.

Um grande obstáculo que impede a adopção generalizada da energia do hidrogénio é a falta de tecnologia segura, sustentável e económica para armazenar este gás extremamente leve (14 vezes mais leve que o ar), reactivo, difícil de conter e explosivo. Para acumular e transportar hidrogênio em cilindros de gás, tubos, tanques criogênicos e tubulações, ele pode ser comprimido ou liquefeito ou talvez até mesmo transformado em um sólido composto de H2 moléculas. Mas existem várias armadilhas nisso:

  • Em primeiro lugar, esse processamento é muito caro. A compressão e a refrigeração envolvidas gastam o equivalente a cerca de 20% a 40% da energia total fornecida pelo hidrogénio – uma penalização muito elevada.
  • Mesmo assim, o hidrogénio é tão leve que, apesar de ser de longe o combustível químico com maior densidade energética em massa, ainda contém apenas cerca de metade da energia por unidade de volume que o gás natural – comprimido ou liquefeito. Isto é particularmente inconveniente para veículos.
  • Finalmente, o hidrogénio é a menor molécula, por isso escapa facilmente dos recipientes e até penetra nas suas paredes metálicas, tornando-os quebradiços e causando fissuras e fugas.

“A alternativa é o armazenamento de produtos químicos”, diz um dos principais autores do estudo, Dmitrii Semenok, que possui doutorado em ciência e engenharia de materiais pela Skoltech. “Certos materiais, por exemplo ligas de magnésio-níquel e zircônio-vanádio, podem armazenar hidrogênio nos vazios entre os átomos metálicos que compõem a estrutura cristalina. Tais acumuladores fornecem armazenamento relativamente denso e seguro e liberam hidrogênio com bastante rapidez quando solicitado, se aquecidos. Mas embora você possa ajustar as ligas metálicas em termos das condições que elas exigem para a captura e liberação de hidrogênio e quantos ciclos de carga e descarga elas suportam, há um limite relativamente rígido para a quantidade de hidrogênio que você pode inserir nesses materiais: cerca de dois hidrogênios. átomos por átomo de metal. E essa é a principal figura de mérito.”

“Os compostos que sintetizamos – heptahidreto de césio CsH7 e nonahidreto de rubídio RbH9 – contêm até sete e nove átomos de hidrogênio, respectivamente, por átomo de metal. E esperamos que sejam os primeiros materiais ricos em hidrogénio estáveis ​​à pressão atmosférica, embora este último requeira confirmação adicional. De qualquer forma, a proporção de átomos de hidrogénio nestes compostos é a mais elevada entre todos os hidretos conhecidos, duas vezes mais elevada que no metano CH4,” Semenok acrescentou.

O investigador principal do estudo, Professor Artem R. Oganov, que dirige o Laboratório de Descoberta de Materiais da Skoltech, explicou os detalhes do experimento: “Reagimos o pó rico em hidrogênio do borano de amônia com césio ou rubídio. Isso produz sais conhecidos como amidoboranos de césio ou rubídio. O calor decompõe esses sais em monohidretos de césio ou rubídio e muito hidrogênio. Como o experimento é realizado em uma célula entre dois diamantes que exercem 100.000 vezes a pressão atmosférica, o hidrogênio extra é forçado para os vazios da rede cristalina, formando hepta-hidreto de césio e nona-hidreto de rubídio – este último, em duas variedades distintas de rede cristalina.

Segundo os pesquisadores, o césio e o rubídio estão “predestinados para isso”, devido ao tamanho de seus átomos, resultando em vazios maiores na estrutura cristalina para o hidrogênio ocupar. A formação dos compostos está de acordo com as previsões tanto das simulações da equipe quanto dos cálculos baseados nas leis físicas fundamentais. A presença dos compostos também foi confirmada com múltiplas técnicas analíticas: análise de raios X, espectroscopia Raman e espectroscopia de reflexão/transmissão – esta última foi possibilitada pela contribuição do cientista pesquisador Denis Sannikov do Laboratório de Fotônica Híbrida da Skoltech.

A equipe pretende agora repetir o experimento usando prensas hidráulicas de grande escala e com pressão mais baixa — cerca de 10 mil atmosferas — para obter maiores quantidades de polihidretos de césio e rubídio e verificar se, uma vez sintetizados, esses compostos permanecem estáveis ​​mesmo à pressão atmosférica, ao contrário dos outros. polihidretos conhecidos até o momento.

Referência do diário

  1. Zhou, D., Semenok, D., Galasso, M., Alabarse, FG, Sannikov, D., Troyan, IA, Nakamoto, Y., Shimizu, K., & Oganov, AR Passas em uma torta de hidrogênio: césio ultraestável e Polihidretos de Rubídio. Materiais Energéticos Avançados2400077. DOI: 10.1002/aenm.202400077
Atualizado em by Geoffrey Morgan
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