Magiê Hyđrua: Chìa khóa để lưu trữ năng lượng bền vững?
Bởi THE HENRYK NIEWODNICZANSKI VIỆN VẬT LÝ HẠT NHÂN HỌC VIỆN KHOA HỌC Ba Lan NGÀY 17 THÁNG 2 NĂM 2024
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra lý do tại sao magie hydrua không thể trở thành giải pháp lưu trữ hydro và xác định được hướng đi phía trước, có khả năng cách mạng hóa việc sử dụng hydro trong các ứng dụng năng lượng. Sự di chuyển của hydro trong lớp magie nguyên chất được nghiên cứu bằng quang phổ điện tử trong buồng chân không cực cao ở Dübendorf. Tín dụng: Empa / AB / IFJ PAN
Thật dễ dàng để lạc quan về hydro như một loại nhiên liệu lý tưởng. Việc đưa ra giải pháp cho một vấn đề hoàn toàn cơ bản sẽ khó khăn hơn nhiều: làm thế nào để lưu trữ nhiên liệu này một cách hiệu quả? Một nỗ lực hợp tác giữa các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm Thụy Sĩ và Ba Lan đã khám phá ra lý do tại sao những nỗ lực trước đây nhằm sử dụng magie hydrua để lưu trữ hydro không đạt được kỳ vọng – và tại sao những nỗ lực trong tương lai có thể thành công.
Hydro từ lâu đã được coi là chất mang năng lượng của tương lai. Tuy nhiên, trước khi nó trở thành hiện thực trong lĩnh vực năng lượng, các phương pháp lưu trữ nó hiệu quả phải được phát triển. Các vật liệu được lựa chọn theo cách mà với chi phí năng lượng thấp, trước tiên hydro có thể được bơm vào chúng và sau đó được thu hồi theo yêu cầu, tốt nhất là trong các điều kiện tương tự như môi trường điển hình hàng ngày của chúng ta, dường như là giải pháp tối ưu. Một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ hydro dường như là magie.
Tuy nhiên, việc chuyển đổi nó thành magie hydrua đòi hỏi một chất xúc tác có hiệu quả phù hợp mà hiện vẫn chưa được tìm thấy.
Công trình của một nhóm các nhà khoa học từ Empa – Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ ở Dübendorf, và Khoa Hóa học tại Đại học Zurich cũng như Viện Vật lý Hạt nhân của Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (IFJ PAN) ở Cracow, đã chỉ ra rằng nguyên nhân của sự thất bại trong nhiều năm cho đến nay nằm ở sự hiểu biết chưa đầy đủ về hiện tượng xảy ra ở magie trong quá trình phun hydro.
Những hiểu biết lý thuyết và thực nghiệm
Trở ngại chính cho việc hấp thụ hydro làm nguồn năng lượng là khó khăn trong việc lưu trữ nó. Trong những chiếc ô tô chạy bằng hydro vẫn còn hiếm, nó được lưu trữ dưới dạng nén ở áp suất khoảng 700 atm. Đây không phải là phương pháp rẻ nhất cũng không phải là an toàn nhất và nó ít liên quan đến hiệu quả: chỉ có 45 kg hydro trong một mét khối.
Cùng một thể tích có thể chứa 70 kg hydro nếu nó được ngưng tụ trước đó. Thật không may, quá trình hóa lỏng đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và nhiệt độ cực thấp, khoảng 20 Kelvin, phải được duy trì trong suốt quá trình bảo quản. Một giải pháp thay thế có thể là các vật liệu phù hợp, chẳng hạn như magie hydrua, có thể chứa tới 106 kg hydro trong một mét khối.
Hình dung sự phân bố hydro (màu xanh) trong mạng tinh thể magie: vùng magie và magie hydrua được phân tách rõ ràng. Các nguyên tử magie sau khi ion hóa được tô màu be. Tín dụng: IFJ PAN / ZŁ
Magiê hydrua là một trong những vật liệu đơn giản nhất được thử nghiệm về khả năng lưu trữ hydro. Hàm lượng của nó ở đây có thể đạt tới 7,6% (tính theo trọng lượng). Do đó, các thiết bị magiê hydrua khá nặng và chủ yếu thích hợp cho các ứng dụng cố định. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là magiê hydrua là một chất rất an toàn và có thể được lưu trữ mà không gặp rủi ro, chẳng hạn như trong tầng hầm, và bản thân magiê là một kim loại rẻ tiền và sẵn có.
Hiểu biết sâu sắc về những hạn chế của Magiê Hydride
Giáo sư Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), một nhà vật lý lý thuyết, đồng tác giả của một bài báo, cho biết: “Nghiên cứu về việc kết hợp hydro vào magiê đã diễn ra trong nhiều thập kỷ nhưng vẫn chưa mang lại giải pháp nào có thể sử dụng rộng rãi hơn”. trong Khoa học nâng cao, nơi trình bày khám phá mới nhất.
“Một nguồn gốc của vấn đề là bản thân hydro. Nguyên tố này có thể xuyên qua cấu trúc tinh thể của magiê một cách hiệu quả, nhưng chỉ khi nó hiện diện ở dạng nguyên tử đơn lẻ. Để thu được nó từ hydro phân tử điển hình, cần có một chất xúc tác đủ hiệu quả để thực hiện quá trình di chuyển hydro trong vật liệu nhanh chóng và hiệu quả về mặt năng lượng. Vì vậy mọi người đã và đang tìm kiếm một chất xúc tác đáp ứng được các điều kiện trên, đáng tiếc là không có nhiều thành công. Hôm nay, cuối cùng chúng ta cũng biết tại sao những nỗ lực này đều thất bại.”
Giáo sư Lodziana đã phát triển một mô hình mới về các quá trình nhiệt động và điện tử xảy ra ở magie khi tiếp xúc với các nguyên tử hydro. Mô hình dự đoán rằng trong quá trình di chuyển của các nguyên tử hydro, các cụm magie hydrua ổn định nhiệt động cục bộ sẽ được hình thành trong vật liệu. Tại ranh giới giữa magie kim loại và hydrua của nó, những thay đổi trong cấu trúc điện tử của vật liệu sẽ xảy ra và chính những thay đổi này có vai trò quan trọng trong việc làm giảm độ linh động của các ion hydro. Nói cách khác, động học của sự hình thành magie hydrua chủ yếu được xác định bởi hiện tượng ở bề mặt tiếp xúc của nó với magie. Hiệu ứng này cho đến nay vẫn chưa được tính đến trong việc tìm kiếm chất xúc tác hiệu quả.
Công trình lý thuyết của Giáo sư Lodziana bổ sung cho các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm Thụy Sĩ ở Dübendorf. Ở đây, sự di chuyển của hydro nguyên tử trong một lớp magie nguyên chất phun lên palladium đã được nghiên cứu trong buồng chân không cực cao. Thiết bị đo có khả năng ghi lại những thay đổi về trạng thái của một số lớp nguyên tử bên ngoài của mẫu đang nghiên cứu, gây ra bởi sự hình thành một hợp chất hóa học mới và những biến đổi liên quan đến cấu trúc điện tử của vật liệu. Mô hình do nhà nghiên cứu IFJ PAN đề xuất cho phép chúng ta hiểu đầy đủ về kết quả thử nghiệm.
Thành tựu của nhóm các nhà vật lý Thụy Sĩ-Ba Lan không chỉ mở đường cho một cuộc tìm kiếm mới về chất xúc tác tối ưu cho magie hydrua mà còn giải thích tại sao một số chất xúc tác được tìm thấy trước đây lại cho thấy hiệu quả cao hơn mong đợi.
“Có nhiều điều cho thấy rằng việc thiếu tiến bộ đáng kể trong việc lưu trữ hydro trong magie và các hợp chất của nó chỉ đơn giản là do chúng ta hiểu chưa đầy đủ về các quá trình liên quan đến vận chuyển hydro trong các vật liệu này. Trong nhiều thập kỷ, tất cả chúng ta đều đang tìm kiếm những chất xúc tác tốt hơn, nhưng lại không tìm thấy ở nơi chúng ta nên tìm. Giờ đây, các kết quả lý thuyết và thực nghiệm mới giúp người ta có thể suy nghĩ lại với thái độ lạc quan về những cải tiến hơn nữa trong các phương pháp đưa hydro vào magiê,” Giáo sư Lodziana kết luận.
Tham khảo: “Tại sao chất xúc tác phân ly hydro không có tác dụng trong quá trình hydro hóa magie” của Selim Kazaz, Emanuel Billeter, Filippo Longo, Andreas Borgschulte và Zbigniew Łodziana, ngày 9 tháng 12 năm 2023, Khoa học nâng cao.
DOI: 10.1002/advs.202304603
Về phía Ba Lan, nghiên cứu được tài trợ bởi Trung tâm Khoa học Quốc gia và Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ ở phía Thụy Sĩ.
