El Grafeno Blanco Resuelve el Problema del Almacenamiento de Hidrógeno

Publicado a las 08:37 PM CST en Mar 14,2018 | Actualizado a las 08:37 PM CST en Mar 14,2018

Un equipo de la Universidad de Rice ha encontrado la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nanomateriales de «grafeno blanco».

El nitruro de boro hexagonal (hBN) o grafeno blanco, consiste en «pisos» de nitruro de boro sentados uno encima del otro, sostenidos precisamente 5.2 angstroms separados por pilares de nitruro de boro, exactamente como se espacian los átomos de carbono en hojas planas de grafeno.

La motivación es crear un material eficiente que pueda absorber y retener una gran cantidad de hidrógeno -tanto por volumen como por peso- y que pueda liberar rápida y fácilmente ese hidrógeno cuando sea necesario «, dijo en una declaración el autor principal del estudio, Rouzbeh Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental de Rice.

Los investigadores usaron un par de supercomputadoras para encontrar la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nitruro de boro. Los modelos mostraron que las estructuras de láminas tubulares de hBN puras podían contener un 8 por ciento de peso, una medida de concentración similar a partes por millón de hidrógeno.

Los investigadores previamente encontraron que los materiales híbridos de grafeno y nitruro de boro podrían contener suficiente hidrógeno para cumplir con los objetivos de almacenamiento del Departamento de Energía de los Estados Unidos para vehículos de celdas de combustible de servicio liviano.

La elección del material es importante», dijo Shahsavari. Se ha demostrado que el nitruro de boro es mejor en términos de absorción de hidrógeno que el grafeno puro, los nanotubos de carbono o los híbridos de grafeno y nitruro de boro.

Pero la separación y disposición de las planchas y pilares hBN también es crítica. Así que decidimos realizar una búsqueda exhaustiva de todas las geometrías posibles de hBN para ver cuál funcionaba mejor. También ampliamos los cálculos para incluir varias temperaturas, presiones y dopantes, oligoelementos que pueden añadirse al nitruro de boro para mejorar su capacidad de almacenamiento de hidrógeno «.

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El equipo utilizó varias pruebas ab initio – simulaciones por ordenador que utilizaron los primeros principios de la física para realizar el descubrimiento.

Realizamos casi 4.000 cálculos ab initio para tratar de encontrar ese punto dulce donde el material y la geometría van de la mano y realmente trabajan juntos para optimizar el almacenamiento de hidrógeno «, dijo Shahsavari.

El nitruro de boro es un sorbente que retiene el hidrógeno a través de enlaces físicos que son más débiles que los enlaces químicos, permitiendo a los investigadores sacar el hidrógeno del almacenamiento porque los materiales sorbentes tienden a descargar más fácilmente que sus primos químicos. El espaciado en el nitruro de boro también fue clave para maximizar la capacidad.

Sin pilares, las sábanas se sientan naturalmente una encima de la otra sobre tres angstroms separados, y muy pocos átomos de hidrógeno pueden penetrar ese espacio «, dijo Shahsavari. Cuando la distancia crecía a seis angstroms o más, la capacidad también disminuyó. A 5.2 angstroms, hay una atracción cooperativa tanto del techo como del suelo, y el hidrógeno tiende a aglomerarse en el centro. Por el contrario, los modelos hechos de tubos puramente BN–no hojas–tenían menos capacidad de almacenamiento.»

El hidrógeno es una de las formas más limpias de generar electricidad, eliminando la necesidad de combustibles fósiles. Sin embargo, los principales inconvenientes del hidrógeno son la portabilidad, el almacenamiento y la seguridad.

Mientras que los grandes volúmenes pueden almacenarse bajo alta presión en cúpulas subterráneas de sal y tanques especialmente diseñados, los ingenieros no han podido desarrollar tanques portátiles a pequeña escala.

Un informe de los analistas de mercado de BCC Research de 2017 reveló que la demanda mundial de materiales y tecnologías de almacenamiento de hidrógeno alcanzará probablemente los 5.400 millones de dólares anuales en 2021.

El estudio se publicó en Small.

Referencias & Fuentes

1.v3.co.uk/v3-uk/news/3028427/scientists-discover-white-graphene-architecture-with-hydrogen-storage-potential
2.nature.com/articles/am20158

3.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201702863/abstract

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Riley Williamson

Estudié psicología y Español en Australia antes de trasladarme a España para completar una maestría y un doctorado en neurociencia. Al darme cuenta de que era mejor escribiendo sobre ciencia que haciendo investigación, trabajé durante un tiempo como oficial de prensa antes de pasar al periodismo científico.