El hidrógeno se considera cada vez más esencial para una economía energética mundial sostenible, ya que puede almacenar el excedente de energía renovable, descarbonizar el transporte y servir como portador de energía con cero emisiones. Sin embargo, el almacenamiento convencional a alta presión o criogénico plantea importantes retos técnicos y de ingeniería.
Para superar estos retos, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL, por sus siglas en inglés) y de los Sandia National Laboratories han recurrido a los hidruros metálicos porque proporcionan densidades de energía excepcionales y pueden liberar y captar hidrógeno de forma reversible en condiciones relativamente suaves. La investigación aparece en forma de artículo y contraportada en la revista Angewandte Chemie.
Los hidruros metálicos en estado sólido con altas densidades volumétricas y gravimétricas de hidrógeno son alternativas atractivas al almacenamiento de hidrógeno en fase gaseosa.
Sin embargo, muchos hidruros metálicos de gran capacidad adolecen de una mala termodinámica de captación de hidrógeno tras su liberación inicial, lo que hace necesario aplicar presiones de hidrógeno extremas para su regeneración. Esta limitación suele estar ligada a su naturaleza metaestable y dificulta sus aplicaciones en el mundo real.
En la reciente investigación, los científicos encontraron una nueva forma de aliviar la limitación termodinámica. El equipo se centró en un típico hidruro metálico metaestable llamado alano. El alano, o hidruro de aluminio, tiene una densidad volumétrica de hidrógeno que duplica la del hidrógeno líquido. Sin embargo, durante mucho tiempo se pensó que convertir el aluminio metálico a granel en alano era imposible, salvo en condiciones extremas con más de 6.900 atmósferas de presión de dihidrógeno (H2).
El equipo desarrolló un material nanoconfinado con una termodinámica mejorada de la regeneración del alano. Descubrieron que el alano situado en los nanoporos de una estructura covalente de triazina altamente porosa y funcionalizada con bipiridina puede regenerarse a una presión de H2 de sólo 700 bares (690 atmósferas), que es diez veces menor que la requerida para su homólogo a granel. Esta presión es fácilmente alcanzable en las estaciones comerciales de abastecimiento de hidrógeno, aunque son necesarias más mejoras para conseguir un abastecimiento rápido.
“El trabajo prepara el camino para el desarrollo de materiales compuestos adecuados para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno en el mundo real, incluyendo el almacenamiento de hidrógeno a bordo de vehículos”, dijo el científico de materiales del LLNL Sichi Li, que es el primer autor del artículo.
A través de una combinación de sofisticados experimentos espectroscópicos y microscópicos, así como el modelado de primeros principios de Li, encontraron un mecanismo sorprendente y no intuitivo para la estabilización del alano.
El mecanismo implica la formación de radicales intrínsecamente estables y de minúsculos grupos de alano que interactúan químicamente con los nanoporos del marco de confinamiento, lo que da lugar a una termodinámica completamente diferente a la del material a granel.
“El nanoconfinamiento es un enfoque realmente interesante para estabilizar los materiales metaestables de almacenamiento de hidrógeno, sobre todo teniendo en cuenta la amplia gama de posibles materiales anfitriones”, dijo el científico de materiales del LLNL y coautor Brandon Wood, que dirige el equipo del LLNL sobre el almacenamiento de hidrógeno basado en materiales. “Más allá del almacenamiento de hidrógeno, este trabajo también podría tener implicaciones para afinar las propiedades de otros materiales de generación y almacenamiento de energía, incluyendo baterías y catalizadores”.
Otros coautores del LLNL son Maxwell Marple y Harris Mason. El trabajo es financiado por el Departamento de Energía, Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Celdas de Combustible, a través del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Almacenamiento de Hidrógeno (HyMARC).
Te puede interesar:
- Siemens Energy conectará a la red el primer parque eólico marino de Nueva York
- La transmisión inalámbrica de energía es posible: hace funcionar una estación 5G con láseres
- IRENA: Los empleos en energías renovables alcanzan los 12 millones en todo el mundo
