Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Doskonalszy sposób przechowywania wodoru

Recommended Posts

W Lawrence Berkeley National Laboratory powstał nowy kompozytowy materiał, który ułatwi przechowywanie wodoru. Składa się on z nanocząsteczek metalicznego magnezu naniesionych na poli(metakrylan metylu). Najważniejszą właściwością kompozytu jest możliwość szybkiego wiązania i uwalniania wodoru w niewysokich temperaturach bez jednoczesnego występowania zjawiska utleniania metalu. To bardzo ważny krok, znacznie udoskonalający metody przechowywania wodoru na potrzebny produkcji energii.

Nasza praca dowodzi, że jesteśmy w stanie zaprojektować nanokompozytowe materiały, które pokonują podstawowe bariery termodynamiczne i kinetyczne - mowi Jeff Urban, jeden z autorów badań. W pracach nad kompozytem brali też udział Christian Kisielowski, Ki-Joon Jeon, Anne Ruminski, Hoi Ri Moon i Rizia Bardhan.

Szczegółowe informacje na temat nowego kompozytu zostały ujawnione w artykule "Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without heavy metal catalysts" w Nature Materials.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcom z University of Sheffield udało się rozwiązać jedną z zagadek ewolucji galaktyk. Zauważyli oni, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach niektórych galaktyk przyspieszają olbrzymie strumienie wodoru molekularnego wydobywające się z galaktyki. Jako, że wodór jest potrzebny do formowania się gwiazd, zjawisko powyższe ma bezpośredni wpływ na ewolucję galaktyk.
      Ucieczka wodoru z galaktyk jest jednym z elementów uwzględnianych w modelach teoretycznych, jednak dotychczas nie było wiadomo, w jaki sposób strumienie gazu są przyspieszane.
      Brytyjscy uczeni, wykorzystując Very Large Telescope zauważyli, że w pobliskiej galaktyce IC5063 molekularny wodór jest przyspieszany przez dżety elektronów do około 1 miliona kilometrów na godzinę. Elektrony, poruszające się niemal z prędkością światła, są z kolei napędzane przez czarną dziurę. Przyspieszanie gazu ma miejsce w obszarze, gdzie jest go bardzo dużo.
      Odkrycie pozwala nam lepiej zrozumieć, jaka przyszłość czeka Drogę Mleczną. Za około 4 miliardy lat zderzy się ona z Galaktyką Andromedy. Można zatem przypuszczać, że mocno skoncentrowany gaz, który pojawi się w centrum takiego systemu dwóch galaktyk, będzie napędzany przez czarną dziurę i zostanie wyrzucony z galaktyki.
      Profesor Clive Tadhunter zauważa, że molekularny wodór stanowi większość z przyspieszanej materii. Tymczasem jest to niezwykle delikatny gaz, który ulega zniszczeniu już przy niskoenergetycznych oddziaływaniach. To niezwykłe, że ten gaz molekularny może przetrwać spotkanie z dżetami elektronów poruszającymi się z prędkością bliską prędkości światła.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Brytyjscy naukowcy ze Science and Technology Facilities Council twierdzą, że dokonali przełomu na polu przechowywania wodoru. Przełom taki pozwoliłby na pojawienie się samochodów napędzanych wodorem.
      Wodór jest przez wielu uznawany za najlepsze paliwo dla pojazdów. Problem w tym, że jego transport i przechowywanie są niezwykle ryzykowne i kosztowne. Prace Brytyjczyków mają zaś zapewniać bezpieczeństwo i znacząco obniżyć koszty infrastruktury związanej z wykorzystaniem wodoru w roli paliwa.
      Substancją, która ma pozwolić na bezpieczne przechowywanie wodoru jest amoniak. Cząsteczka amoniaku składa się z jednego atomu azotu i trzech atomów wodoru. Istnieją bardzo efektywne katalizatory rozbijające amoniak na wspomniane atomy. Jednak najlepsze z nich składają się z bardzo drogich metali szlachetnych. Brytyjczycy zrezygnowali katalizatora i w jego miejsce wykorzystali dwa proste procesy chemiczne, dzięki którym uzyskali takie same wyniki co przy użyciu katalizatora, jednak cały proces pozyskania wodoru kosztował ułamek tego, ile kosztuje wykorzystanie katalizatora.
      Zdaniem naukowców infrastruktura do tankowania amoniaku może być równie prosta jak infrastruktura do tankowania LPG. W samym samochodzie amoniak może być przechowywany pod niskim ciśnieniem w zbiorniku z tworzywa sztucznego.
      Nasza metoda jest równie skuteczna jak najlepsze dostępnie obecnie metody z wykorzystaniem katalizatora. Jednak wykorzystywany przez nas materiał aktywny, amidek sodu, kosztuje grosze. Możemy efektywnie i tanio w czasie rzeczywistym wytwarzać wodór z amoniaku - cieszy się profesor Bill David. Niewielka ilość wodoru wymieszana z amoniakiem wystarczy do zapłonu konwencjonalnego silnika spalinowego. Jeszcze nie zoptymalizowaliśmy naszego procesu, ale sądzimy, że reaktor o pojemności 2 litrów będzie w stanie wyprodukować wystarczającą ilość wodoru, by napędzać średniej wielkości samochód rodzinny. Zastanawiamy się też, jak uczynić wykorzystanie amoniaku maksymalnie bezpiecznym i zredukować do zera emisję tlenków azotu - dodaje uczony.
      Amoniak już teraz jest jednym z najczęściej transportowanych związków chemicznych na świecie. Dzięki niemu powstaje niemal połowa żywności na świecie. Nie powinno być większych problemów ze zwiększeniem produkcji amoniaku na potrzeby motoryzacji. Jeśli brytyjska technologia się sprawdzi, może dojść do przełomu na rynku motoryzacyjnym. Producenci planują co prawda sprzedaż samochodów z ogniwami wodorowymi, jednak wiążą się z tym poważne obawy o bezpieczeństwo pojazdów ze zbiornikami na gaz pod wysokim ciśnieniem. Ponadto rozpowszechnienie się takich rozwiązań wymagałoby budowy niezwykle kosztownej infrastruktury. Amoniak wydaje się rozwiązywać oba te problemy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Pod koniec obecnej dekady popularność ciężarówek napędzanych wodorem osiągnie punkt zwrotny, uważają szefowie dwóch największych na świecie producentów samochodów ciężarowych. W ciągu najbliższych lat na rynek ma trafiać coraz więcej pojazdów napędzanych wodorem, a pod koniec dekady ich popularność zacznie wyraźnie rosnąć.
      Martin Daum, szef Daimler Truck powiedział, że co prawda jeszcze w ciągu najbliższych 3–4 lat sprzedaż samochodów ciężarowych będzie niemal całkowicie zdominowana przez pojazdy napędzane silnikami Diesla, to w latach 2027–2030 na rynek coraz śmielej będą wchodziły pojazdy napędzane wodorem, a ich sprzedaż będzie szybko rosła. Z kolei Martin Lundstedt, szef Volvo Group, stwierdził, że ciężarówki z alternatywnym napędem będą szybko zyskiwały na popularności po tym, jak w roku 2025 rozpocznie się produkcja ogniw paliwowych. Oba koncerny zawiązały ostatnio joint venture, którego celem jest rozwój napędu wodorowego.
      Volvo zapowiada, że już w roku 2030 połowa ciężarówek tej marki sprzedawana w Europie wędzie napędzana silnikiem elektrycznym lub wodorowymi ogniwami paliwowymi. Natomiast od roku 2040 obie firmy chcą sprzedawać wyłącznie pojazdy z silnikami innymi niż spalinowe.
      Wspomniane powyżej joint venture o nazwie Cellcentric rozpocznie w 2025 roku produkcję wodorowych ogniw paliwowych. Wodór jest postrzegany jako paliwo najbliższej przyszłości dla wielkich ciężarówek pokonujących duże dystanse w Europie, USA i innych częściach świata. Martin Daum, który przewiduje, że w przyszłości połowa samochodów ciężarowych będzie napędzana silnikami elektrycznymi, a połowa wodorowymi, mówi, że jeśli musisz wjechać 40-tonową ciężarówką na wzgórze, to potrzebujesz olbrzymich ilości energii, a zapewnić ją może albo silnik diesla, albo wodór. Ogniwa paliwowe i wodór będą odgrywały olbrzymią rolę, dodaje Lundstedt.
      Obaj menedżerowie podkreślają, że bardzo ważną rolę muszą odegrać rządy poszczególnych państw. Powinny one doprowadzić do powstania odpowiedniej infrastruktury umożliwiającej tankowanie wodorem. Ich zdaniem do roku 2025 w Europie powinno istnieć około 300 punktów tankowania, a do roku 2030 – 1000.
      Obaj menedżerowie zauważają, że przez co najmniej kolejnych 15 lat ciężarówki napędzane akumulatorami i ogniwami wodorowymi będą droższe, niż samochody napędzane silnikami diesla. Daum zauważa, że przeciętny właściciel samochodu ciężarowego wydaje w ciągu jego użytkowania 3–4 razy więcej pieniędzy na paliwo, niż na zakup pojazdu. Zachętą do zakupu ciężarówek z alternatywnym typem napędu powinny być, jego zdaniem, nie dopłaty do samych samochodów, ale odpowiednie opłaty za emisję CO2 nakładane na paliwa kopalne.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Materiały stosowane w biomedycynie muszą cechować się kontrolowaną biodegradowalnością, odpowiednią wytrzymałością i całkowitym brakiem toksyczności dla ludzkiego organizmu. Poszukiwanie takich materiałów nie jest więc prostym zadaniem. W tym kontekście naukowcy od dłuższego czasu interesują się magnezem. Wykorzystując między innymi spektroskopię anihilacji pozytonów, badaczom udało się wykazać, że magnez poddany powierzchniowej obróbce mechaniczno-ściernej uzyskuje niezbędne dla materiału biokompatybilnego właściwości.
      W ostatnim czasie coraz większe zainteresowanie zyskują materiały korodujące w sposób kontrolowany. W szczególności dotyczy to biomedycyny, gdzie stosuje się implanty wykonane z polimerów naturalnych lub syntetycznych. Ich zaletą jest łatwość dostosowania szybkości rozkładu w warunkach fizjologicznych. Z drugiej strony, właściwości mechaniczne tych materiałów ulegają pogorszeniu w środowisku organizmu ludzkiego, przez co nie nadają się do zastosowań narażonych na duże obciążenia. Z tego powodu dobrym rozwiązaniem wydają się implanty metaliczne, stworzone na bazie całkowicie nieszkodliwego dla ludzkiego organizmu magnezu.
      Ze względu na swoje właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne oraz biodegradowalność, a także kontrolowane tempo korozji, magnez wzbudza duże zainteresowanie badaczy zajmujących się biokompatybilnymi implantami. Pomimo tych zalet, zastosowanie magnezu jako biomateriału używanego przy produkcji implantów okazało się niełatwe ze względu na stosunkowo wysoką szybkość korozji w środowisku ludzkiego ciała. Problem ten da się jednak pokonać, stosując odpowiednie powłoki.
      W trakcie wieloletnich badań zauważono, że rozdrobnienie mikrostruktury materiałów nie tylko poprawia ich właściwości mechaniczne, ale może także wyraźnie zwiększyć odporność korozyjną. Dlatego międzynarodowy zespół naukowy, kierowany przez dr hab. Ewę Dryzek z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, postawił sobie za cel ilościowe zbadanie wpływu powierzchniowej obróbki mechaniczno-ściernej SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) komercyjnego magnezu na jego odporność korozyjną. W tej metodzie duża liczba twardych kulek o średnicy kilku milimetrów uderza w powierzchnię obrabianego materiału, powodując odkształcenie plastyczne warstwy przypowierzchniowej lub warstwy leżącej tuż pod nią. Odkształceniu plastycznemu towarzyszy wytworzenie dużej liczby defektów sieci krystalicznej.
      Do scharakteryzowania mikrostruktury zastosowano typowe techniki badawcze, np. mikroskopię świetlną i elektronową, dyfrakcję promieni rentgenowskich oraz elektronów rozproszonych wstecznie, a także pomiary mikrotwardości.
      Badania mikroskopowe ujawniły stopniowo zmieniającą się mikrostrukturę warstwy wierzchniej materiału powstałej podczas obróbki SMAT. Zaobserwowaliśmy znaczne rozdrobnienie ziaren w pobliżu obrobionej powierzchni. Głębiej widoczne były bliźniaki odkształcenia, których gęstość malała wraz ze wzrostem odległości od tej powierzchni – wyjaśnia dr hab. Dryzek.
      W ramach opisywanych prac po raz pierwszy użyto również spektroskopii anihilacji pozytonów PAS (Positron Annihilation Spectroscopy). Technika ta jest metodą nieniszczącą i pozwala na identyfikację defektów sieci krystalicznej na poziomie atomowym. Polega ona na tym, że gdy pozytony trafiające do próbki materiału napotykają swoje antycząstki – elektrony – anihilują i zamieniają się w fotony, które można rejestrować. Pozyton, który na swojej drodze znajdzie puste miejsce w sieci krystalicznej, może zostać schwytany, co wydłuża czas do momentu jego anihilacji. Pomiar czasu życia pozytonów daje badaczom obraz struktury próbki na poziomie atomowym.
      Celem zastosowania tej metody było, między innymi, uzyskanie informacji na temat rozkładu defektów sieci krystalicznej w warstwie powierzchniowej powstałej w wyniku obróbki SMAT, a także badanie warstwy materiału o grubości rzędu kilku mikrometrów, leżącej tuż pod obrobioną powierzchnią oraz powiązanie uzyskanych informacji z własnościami korozyjnymi. Jest to o tyle ważne, że defekty sieci krystalicznej determinują kluczowe właściwości materiałów. Z tego względu procedura ta znajduje również zastosowanie w metalurgii i technologiach półprzewodnikowych.
      Średni czas życia pozytonów w warstwie o grubości 200 mikrometrów, uzyskanej w wyniku trwającej 120 sekund obróbki SMAT, wykazuje wysoką stałą wartość 244 pikosekund. Oznacza to, że wszystkie emitowane ze źródła pozytony docierające do tej warstwy anihilują w defektach struktury, którymi są wakancje – czyli braki atomów w węzłach sieci krystalicznej – związane z dyslokacjami. Warstwa ta odpowiada silnie odkształconemu obszarowi z rozdrobnionymi ziarnami. Głębiej średni czas życia pozytonów maleje, co wskazuje na zmniejszającą się koncentrację defektów, osiągając w odległości około 1 milimetra od powierzchni wartość charakterystyczną dla dobrze wygrzanego magnezu o stosunkowo małej gęstości defektów struktury, który stanowił materiał porównawczy – opisuje szczegóły prac doktorant Konrad Skowron, główny autor artykułu i pomysłodawca badań.
      Proces SMAT w istotny sposób wpłynął także na zachowanie próbek magnezu podczas elektrochemicznych testów korozyjnych. Zmiany struktury wywołane przez SMAT zwiększyły podatność magnezu na utlenianie anodowe, intensyfikując tworzenie się powłoki wodorotlenkowej na powierzchni oraz w konsekwencji prowadząc do lepszej odporności na korozję. Potwierdzają to dane uzyskane dzięki użyciu wiązki pozytonów w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej. Wyniki pokazują, że oprócz granic ziaren i podziaren obecnych na powierzchni, także inne defekty krystaliczne, takie jak dyslokacje i wakancje, mogą odgrywać istotną rolę w zachowaniu korozyjnym magnezu.
      Obecnie prowadzimy analogiczne badania dla tytanu. Tytan jest metalem szeroko stosowanym w lotnictwie, motoryzacji, energetyce i przemyśle chemicznym. Służy również jako materiał do produkcji urządzeń i implantów biomedycznych. Ekonomicznie akceptowalna metoda, umożliwiająca uzyskanie czystego tytanu o mikrostrukturze gradientowej z ziarnem o wielkości nanometrycznej w warstwach przylegających do powierzchni, może otworzyć szersze perspektywy zastosowania tytanu w wyrobach ważnych dla gospodarki i dla poprawy komfortu życia człowieka – mówi dr hab. Dryzek.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Międzynarodowy zespół naukowców odkrył, że atomy wodoru w wodorkach metalu są dużo gęściej upakowane niż uważano do tej pory. Właściwość ta może prowadzić do pojawienia się nadprzewodnictwa w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do panujących w warunkach pokojowych. Tego rodzaju materiał nadprzewodzący, służący do przesyłania energii elektrycznej bez strat wywołanych rezystancją, mógłby zrewolucjonizować efektywność energetyczną w szerokim zakresie zastosowań.
      W należącym do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Narodowym Laboratorium Oak Ridge (ORNL) naukowcy przeprowadzili eksperymenty rozpraszania neutronów na wodorku cyrkonowo-wanadowym pod ciśnieniem atmosferycznym w zakresie temperatur sięgających od –268 stopni Celsjusza (5 K) do –23 stopni Celsjusza (250 K) – czyli znacznie powyżej temperatury, w której spodziewane jest wystąpienie nadprzewodnictwa przy takim ciśnieniu. Wyniki pomiarów w żaden sposób nie zgadzały się z istniejącymi modelami. Prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, jeden z członków międzynarodowego zespołu badaczy, zaproponował nowy model tego wodorku. Model ten, poddany obliczeniom na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, pozwolił w prosty sposób wyjaśnić obserwacje eksperymentalne. Okazało się, że odległości pomiędzy atomami wodoru w badanym materiale wynoszą 1,6 angstrema, podczas gdy dotychczas ugruntowane przewidywania dla tych związków wyznaczały tę odległość na poziomie co najmniej 2,1 angstrema.
      Odkrycia międzynarodowego zespołu badaczy ze szwajcarskiego Laboratorium Badania Materiałów i Technologii EMPA, Uniwersytetu w Zurychu, Uniwersytetu Illinois w Chicago ORNL oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences.
      Uzyskana struktura atomowa posiada niezwykle obiecujące właściwości, ponieważ wodór znajdujący się w metalach wpływa na ich właściwości elektronowe. Inne materiały o podobnym upakowaniu atomów wodoru przechodzą w stan nadprzewodnictwa, ale tylko przy bardzo wysokich ciśnieniach.
      Na przykład niedawno odkryty dekawodorek lantanu osiąga stan nadprzewodnictwa w temperaturze około –13 stopni Celsjusza, tyle że pod ciśnieniem 150 tysięcy MPa, czyli prawie półtora miliona razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne! Tak wysokie ciśnienie potrzebne jest, by zbliżyć do siebie atomy wodoru na odległość mniejszą niż 2 angstremy. Nam udało się pokazać, że wodór można upakować w taki sposób również pod ciśnieniem atmosferycznym. Co ciekawe – od ponad 40 lat panowało przekonanie, iż nie jest to możliwe, stąd badano materiały pod wysokimi ciśnieniami. Znalezienie substancji, która jest nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym, najprawdopodobniej pozwoli inżynierom wykorzystać go do projektowania powszechnie stosowanych systemów i urządzeń elektrycznych, jak na przykład tomografów rezonansu magnetycznego. Mamy nadzieję, że tani i stabilny stop w rodzaju wodorku cyrkonowo-wanadowego można będzie łatwo zmodyfikować w taki sposób, aby uzyskać nadprzewodzący materiał – wyjaśnia prof. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN.
      Badacze przeanalizowali oddziaływania atomów wodoru w dobrze poznanym wodorku metalu za pomocą wysokiej rozdzielczości wibracyjnej spektroskopii nieelastycznego rozpraszania neutronów wiązki VISION, pochodzącej ze spalacyjnego źródła neutronów laboratorium Oak Ridge w Stanach Zjednoczonych. Uzyskany sygnał widmowy, w tym znaczący wzrost intensywności przy energii około 50 milielektronowoltów, nie zgadzał się z przewidywaniami poczynionymi w ramach istniejących modeli teoretycznych.
      Przełom w zrozumieniu obserwacji nastąpił po wykonaniu obliczeń w Oak Ridge. Zaproponowany przez prof. Łodzianę model posłużył opracowaniu strategii analizy danych. Obliczenia wykonano na superkomputerze Titan, jednym z najszybszych tego typu urządzeń na świecie. Komputer ten zbudowany jest w oparciu o platformę Cray XK7 i działa z prędkością dochodzącą do 27 petaflopów (czyli 27 biliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Wykonanie takich obliczeń na komputerze domowym trwałoby około dwudziestu lat, a na najszybszym polskim superkomputerze Prometheus w ACK Cyfronet jakieś 3–5 miesięcy. Na maszynie Titan wyniki obliczeń otrzymaliśmy w niespełna tydzień – mówi prof. Łodziana.
      Przeprowadzone symulacje komputerowe, wraz z dodatkowymi eksperymentami wykluczającymi alternatywne wyjaśnienia, wykazały jednoznacznie, że nieoczekiwana sygnatura widmowa występuje tylko wtedy, gdy odległości między atomami wodoru są mniejsze niż 2 angstremy. Takiego zjawiska nigdy wcześniej nie zaobserwowano w wodorkach metalu dla ciśnień i temperatur charakterystycznych dla warunków pokojowych. Odkrycia zespołu stanowią więc pierwszy znany wyjątek od kryterium Switendicka w stopie bimetalicznym – czyli zasady obowiązującej dla stabilnych wodorków w warunkach standardowych, która mówi o tym, że odstęp między atomami wodoru nie może być mniejszy niż 2,1 angstrema.
      W kolejnych doświadczeniach naukowcy planują wzbogacić wodorek cyrkonowo-wanadowy większą ilością wodoru pod różnymi ciśnieniami, aby ocenić potencjalne nadprzewodnictwo badanego materiału.
      Czy zatem znajdujemy się u progu technologicznej rewolucji polegającej na znalezieniu materiału wykazującego właściwości nadprzewodzące w temperaturze pokojowej? Tego nie wiem, ale z pewnością udało nam się poczynić istotny krok w tym kierunku – przekonuje prof. Łodziana.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...