Группа исследователей определила ключевой камень преткновения общего твердотельного водородного материала, проложив путь к будущим рекомендациям по проектированию и широкому коммерческому использованию.

Подробности их результатов были опубликованы в Journal of Materials Chemistry A , где статья была представлена ​​на обложке.

Водород будет играть важную роль в обеспечении нашего будущего энергией. Он в изобилии и не производит вредных выбросов при сжигании. Но хранилище и транспортировка водорода является дорогостоящим и рискованным делом.

В настоящее время водород хранится тремя способами: хранение газообразного водорода под высоким давлением, хранение жидкого водорода при низкой температуре и хранение водорода в твердом состоянии. Среди твердотельных хранилищ водорода твердотельные материалы, как правило, самые безопасные и обеспечивают наибольшую плотность хранения водорода.

Гидриды металлов уже давно исследуются из-за их большой способности хранить водород и их низкой стоимости. Когда эти металлы вступают в контакт с газообразным водородом, водород поглощается их поверхностью. Дальнейший ввод энергии приводит к атомам водорода находят свой путь в кристаллические решетки металла, пока металл не станет насыщенным водородом. Оттуда материал может поглощать и десорбировать водород в больших количествах.

Гидрид магния (MgH 2 ) продемонстрировал огромные перспективы для превосходной емкости хранения водорода. Однако для разложения MgH 2 и образования водорода необходима высокая температура. Кроме того, сложная миграция и десорбция водорода материала, которые приводят к вялой кинетике дегидрирования, препятствуют его коммерческому применению.

В течение десятилетий ученые спорили, почему дегидрирование в MgH 2 так сложно. Но теперь исследовательская группа нашла ответ.

Используя расчеты, основанные на спин-поляризованной теории функционала плотности с поправками Ван-дер-Ваальса, они обнаружили «эффект взрыва» во время дегидрирования MgH 2 . Начальные барьеры дегидрирования измерялись при 2,52 и 2,53 эВ, тогда как последующие барьеры реакции составляли 0,12–1,51 эВ.

Группа провела дальнейший анализ связи с помощью метода заселения Гамильтона на кристалло-орбитальной орбите, где они подтвердили, что прочность связи гидрида магния снижается по мере продолжения процесса дегидрирования.

«Миграция водорода и его десорбция намного легче после первоначального эффекта взрыва», — отмечает Хао Ли, доцент Института перспективных исследований материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR) и соответствующий автор статьи. «Структурные инженерные изменения, которые способствуют этому процессу десорбции, могут стать ключом к облегчению десорбции MgH 2 водородом ».

Ли и его коллеги продемонстрировали, что вакансии водорода сохраняют высокую степень электронной локализации, когда существует первый слой атомарного водорода. Анализ кинетических характеристик MgH 2 после поверхностного дегидрирования, выполненный с помощью моделирования молекулярной динамики ab initio , также предоставил дополнительные доказательства.

«Наши результаты обеспечивают теоретическую основу кинетики дегидрирования MgH 2 , предоставляя важные рекомендации по модификации материалов для хранения водорода на основе MgH 2 », — добавляет Ли.