Kāpēc kokosrieksti varētu būt nākotnes ūdeņraža uzglabāšanas materiāls?

Ūdeņradis ir potenciāls atjaunojamais kurināmais, jo to var viegli iegūt no ūdens, izmantojot elektrolīzi. Tas arī tīri sadedzina, veidojot ūdens tvaikus. Cerams, ka to varētu izplatīt arī, izmantojot to pašu globālo šķidrās degvielas transporta tīklu, kas pārvieto benzīnu pa planētu.

Taču šim sapnim par ekonomiku, kuras pamatā ir ūdeņradis, ir daudz problēmu. Viens no tiem ir tas, ka ūdeņradi ir grūti efektīvi uzglabāt. Ūdeņraža gāzei ir slikts enerģijas blīvums pēc tilpuma, salīdzinot ar benzīnu. Faktiski litrā benzīna ir vismaz par 60 procentiem vairāk ūdeņraža nekā litrā tīra šķidra ūdeņraža. Citiem vārdiem sakot, ūdeņradim vienmēr būs vajadzīgas lielākas tvertnes.

Tāpēc atrast veidus, kā to uzglabāt vairāk, ir milzīgs izaicinājums. Viena iespēja ir uzglabāt to šķidrā veidā, bet ūdeņradis vārās virs -250 °C, tāpēc ir nepieciešama liela izolācija, lai to saglabātu šādā stāvoklī.

Vēl viena ideja ir to saspiest. Taču tas rada drošības jautājumus, ja sadursmē nonāk ar ūdeņradi darbināma automašīna.

Tāpēc liela daļa materiālu zinātnes pētījumu šajā jomā ir vērsta uz ķīmisko vielu uzglabāšanu: tādu materiālu atrašanu, kas efektīvi adsorbē ūdeņradi un pēc tam to atkal atbrīvo, kad tas ir nepieciešams.

Tagad Viney Dixit un draugi Indijas Banaras Hindu universitātes Ūdeņraža enerģijas centrā saka, ka ir atklājuši, ka karbonizētā kokosriekstu mīkstums ir īpaši labs šim uzdevumam. Mūsdienās tie parāda, ka tas pārspēj vairākus citus ūdeņraža uzglabāšanas materiālus, jo īpaši ar spēju darboties daudzos uzlādes ciklos.

Lai palīdzētu novērtēt ūdeņraža uzglabāšanas materiālus, ASV Enerģētikas departaments ir izvirzījis vairākus mērķus, kas šiem materiāliem jāsasniedz, lai tos uzskatītu par dzīvotspējīgām tehnoloģijām nākotnes transporta sistēmām. Piemēram, pašreizējie kritēriji ir tādi, ka ūdeņraža uzglabāšanas sistēmā ir jāuzglabā vismaz 5,5 masas procenti (5,5 masas %) ūdeņraža.

Tā ir visas uzglabāšanas sistēmas masa, nevis tikai uzglabāšanas materiāla masa. Tātad nepārprotami uzglabāšanas materiāla masas daļai jābūt ievērojami lielākai.

Materiālu zinātnieki sākotnēji koncentrēja savus centienus uz metālu hidrīdiem, no kuriem daži var uzglabāt ūdeņradi lielākās frakcijās nekā DoE kritēriji. Tomēr šiem materiāliem ir vairāki trūkumi. Pirmkārt, tie ir jāuzsilda, lai atbrīvotu ūdeņradi, un tas aizņem enerģiju. Vēl ļaunāk, materiāliem ir tendence fiziski sadalīties, jo uzlādes ciklu skaits palielinās vairāk nekā 100.

Tāpēc pēdējos gados pētnieki ir pievērsuši uzmanību ogleklim. Ir zināms, ka saite starp ūdeņradi un oglekli ir ātra un atgriezeniska. Turklāt ir salīdzinoši vienkārši izveidot spēcīgu, porainu oglekli ar lielu virsmas laukumu.

Viens no veidiem, kā to izdarīt, ir karbonizēt bioloģiskos materiālus, piemēram, augļus vai kokosriekstu čaumalas. Tas nozīmē, ka materiāls tiek uzkarsēts līdz dažiem simtiem grādu pēc Celsija slāpekļa atmosfērā, kas nodrošina, ka ogleklis saglabā savu poraino bioloģisko struktūru.

Kokosriekstu čaumalas vietā Dixit un co karbonizēta kokosriekstu mīkstums. Viņi saka, ka tam ir priekšrocība, jo tajā ir daudz dažādu papildu elementu, piemēram, kālija, nātrija, kalcija un magnija, kas ir vienmērīgi sadalīti visā oglekļa matricā. Un viņi saka, ka tas viņu eksperimentos ir nozīmīgs.

Šie puiši ir izmērījuši ūdeņraža daudzumu, ko var saturēt karbonizētā kokosriekstu mīkstums, un saka, ka tas ir labi salīdzināms ar tradicionāliem materiāliem. Sintezētais materiāls adsorbē 2,30 masas % istabas temperatūrā un 8,00 masas % šķidrā slāpekļa temperatūrā zem 70 atm spiediena, saka Dixit un co.

Turklāt materiāls ātri un efektīvi izdala ūdeņradi, un šķiet, ka tas nesadalās daudzos uzlādes ciklos.

Vēl ir jānoskaidro, vai tas ir pietiekami labs, lai atbilstu DoE 5,5 masas % kritērijam visai uzglabāšanas sistēmai.

Komanda kādu laiku pavadīja, pētot karbonizētā kokosriekstu mīkstuma mikrostruktūru, lai noskaidrotu, kāpēc tā darbojas tik labi. Un viņi ir precīzi norādījuši divus mehānismus.

Pirmais ir tas, ka karbonizētā kokosriekstu mīkstums satur ievērojamu daudzumu kālija hlorīda, kas polarizē oglekļa matricu, kurā tā ir iestrādāta. Viņi saka, ka tas uzlabos ūdeņraža adsorbcijas spēju.

Otrais ir tas, ka oglekļa matrica satur arī ievērojamu daudzumu magnija, kas, kā zināms, uzlabo ūdeņraža molekulu disociāciju, padarot tās vieglāk adsorbējamas.

Tas ir interesants rezultāts, kas liecina par dažiem daudzsološiem turpmākajiem pētījumiem. Šķiet, ka svarīgs mehānisms ir tādu molekulu klātbūtne, kas katalizē ūdeņraža adsorbciju. Var pat būt iespējams pielāgot šīs proporcijas, audzējot kokosriekstus dažādās vidēs. Vēl viena iespēja varētu būt mākslīgi sintezēt oglekli, kas atbilst dažām karbonizētā kokosriekstu mīkstuma īpašībām.

Jebkurā gadījumā materiālu zinātnieki nākotnē varētu izdevīgi pakārt savus šūpuļtīklus starp dažiem kokosriekstu kokiem.

Atsauce: arxiv.org/abs/1409.7219 : Ūdeņraža uzglabāšana oglekā, kas iegūta no kokosriekstu cietās endospermas

paslēpties