Dlaczego orzechy kokosowe mogą być przyszłościowym materiałem magazynującym wodór

Wodór jest potencjalnym paliwem odnawialnym, ponieważ można go łatwo wytworzyć z wody za pomocą elektrolizy. Spala się również czysto, wytwarzając parę wodną. Istnieje nadzieja, że ​​mogłaby być również dystrybuowana za pomocą tej samej globalnej sieci transportu paliw płynnych, która transportuje benzynę po całej planecie.

Ale z tym marzeniem o gospodarce wodorowej wiąże się wiele problemów. Jednym z nich jest to, że wodór jest trudny do efektywnego przechowywania. Gaz wodorowy ma słabą gęstość energetyczną objętościową w porównaniu z benzyną. W rzeczywistości w litrze benzyny jest co najmniej o 60 procent więcej wodoru niż w litrze czystego ciekłego wodoru. Innymi słowy, wodór zawsze będzie wymagał większych zbiorników.

Dlatego znalezienie sposobów na przechowywanie ich większej ilości jest ogromnym wyzwaniem. Jedną z opcji jest przechowywanie go w postaci cieczy, ale wodór wrze w temperaturze powyżej -250 °C, a więc wymaga grubej izolacji, aby utrzymać go w tym stanie.

Innym pomysłem jest skompresowanie go. Rodzi to jednak kwestie bezpieczeństwa w przypadku kolizji samochodu napędzanego wodorem.

Dlatego wiele badań materiałoznawstwa w tej dziedzinie koncentruje się na przechowywaniu substancji chemicznych: znajdowaniu materiałów, które skutecznie pochłaniają wodór, a następnie uwalniają go ponownie, gdy jest to wymagane.

Teraz Viney Dixit i koledzy z Centrum Energii Wodorowej Banaras Hindu University w Indiach twierdzą, że odkryli, że karbonizowany miąższ kokosa jest szczególnie dobry w tym zadaniu. Dziś pokazują, że przewyższa wiele innych materiałów do przechowywania wodoru, szczególnie pod względem zdolności do pracy w wielu cyklach ładowania.

Aby pomóc w ocenie materiałów do przechowywania wodoru, Departament Energii Stanów Zjednoczonych wyznaczył szereg celów, które te materiały muszą spełnić, aby można je było uznać za opłacalne technologie dla przyszłych systemów transportowych. Na przykład obecne kryterium jest takie, że system przechowywania wodoru musi przechowywać co najmniej 5,5% masowego wodoru (5,5% wag.).

Jest to masa całego systemu magazynowego, a nie tylko masa materiału magazynowego. Tak więc wyraźnie ułamek masowy materiału do przechowywania musi być znacznie wyższy.

Naukowcy zajmujący się materiałami początkowo skoncentrowali swoje wysiłki na wodorkach metali, z których niektóre mogą magazynować wodór w wyższych frakcjach niż kryteria DoE. Materiały te mają jednak szereg wad. Najpierw muszą zostać podgrzane, aby uwolnić wodór, a to wymaga energii. Co gorsza, materiały mają tendencję do fizycznego rozpadu, gdy liczba cykli ładowania wzrasta powyżej 100.

Dlatego w ostatnich latach naukowcy zwrócili uwagę na węgiel. Wiadomo, że wiązanie między wodorem a węglem jest szybkie i odwracalne. Co więcej, stosunkowo łatwo jest stworzyć mocny, porowaty węgiel o dużej powierzchni.

Jednym ze sposobów na to jest karbonizacja materiału biologicznego, takiego jak owoce lub łupiny orzecha kokosowego. Oznacza to podgrzanie materiału do kilkuset stopni Celsjusza w atmosferze azotu, co zapewnia zachowanie porowatej struktury biologicznej węgla.

Zamiast łupin orzecha kokosowego, Dixit i co-karbonizowany miąższ kokosa. Mówią, że ma to tę zaletę, że zawiera szeroką gamę dodatkowych pierwiastków, takich jak potas, sód, wapń i magnez, które są równomiernie rozmieszczone w matrycy węglowej. I mówią, że to okazuje się mieć znaczenie w ich eksperymentach.

Ci faceci zmierzyli ilość wodoru, jaką może pomieścić zwęglony miąższ orzecha kokosowego i powiedzieli, że dobrze wypada w porównaniu z bardziej konwencjonalnymi materiałami. Zsyntetyzowany materiał adsorbuje 2,30% wag. w temperaturze pokojowej i 8,00% wag. w temperaturze ciekłego azotu pod ciśnieniem 70 atm, powiedzmy Dixit i spółka.

Co więcej, materiał szybko i wydajnie uwalnia wodór i wydaje się, że nie ulega degradacji w wielu cyklach ładowania.

Nie wiadomo jeszcze, czy jest to wystarczająco dobre, aby spełnić kryterium DoE 5,5% wag. dla całego systemu pamięci masowej.

Zespół poświęcił trochę czasu na badanie mikrostruktury zwęglonego miąższu orzecha kokosowego, aby dowiedzieć się, dlaczego działa on tak dobrze. I wskazali dwa mechanizmy.

Po pierwsze, karbonizowany miąższ orzecha kokosowego zawiera znaczną ilość chlorku potasu, który polaryzuje matrycę węglową, w której jest osadzony. Mówią, że zwiększy to zdolność adsorpcji wodoru.

Po drugie, matryca węglowa zawiera również znaczne ilości magnezu, o którym wiadomo, że wzmaga dysocjację cząsteczek wodoru, ułatwiając ich adsorpcję.

To interesujący wynik, który sugeruje obiecujące kierunki przyszłych badań. Obecność cząsteczek, które katalizują adsorpcję wodoru, wydaje się być ważnym mechanizmem. Możliwe jest nawet dostosowanie tych proporcji poprzez uprawę orzechów kokosowych w różnych środowiskach. Inną możliwością może być sztuczna synteza węgla, który pasuje do niektórych cech karbonizowanego miąższu orzecha kokosowego.

Tak czy inaczej, naukowcy zajmujący się materiałami mogą w przyszłości z zyskiem wieszać swoje hamaki między niektórymi drzewami kokosowymi.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1409.7219 : Magazynowanie wodoru w węglu pochodzącym ze stałego bielma kokosowego

ukryć