Tính toán lý thuyết Xác định nút cổ chai chính của vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn

Tính toán lý thuyết Xác định nút cổ chai chính của vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn

    Tính toán lý thuyết Xác định nút cổ chai chính của vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn

    Hydrogen Storage Materials
    Các tính toán lý thuyết xác định nút cổ chai chính của vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn.

    Một nhóm các nhà nghiên cứu đã xác định được trở ngại chính của vật liệu hydro trạng thái rắn phổ biến, mở đường cho các hướng dẫn thiết kế trong tương lai và sử dụng thương mại rộng rãi.

    Chi tiết về những phát hiện của họ đã được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A, trong đó bài báo được đăng dưới dạng Bài viết trang bìa.

    Hydrogen sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho tương lai của chúng ta. Nó dồi dào và không tạo ra khí thải độc hại khi đốt cháy. Nhưng việc lưu trữ và vận chuyển hydro vừa tốn kém vừa rủi ro.

    Hiện tại, hydro được lưu trữ bằng ba phương pháp: lưu trữ hydro ở thể khí áp suất cao, lưu trữ hydro ở dạng lỏng ở nhiệt độ thấp và lưu trữ hydro ở trạng thái rắn. Trong số các vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn, vật liệu ở trạng thái rắn nói chung là an toàn nhất và cung cấp mật độ lưu trữ hydro nhiều nhất.

    Hydrua kim loại từ lâu đã được khám phá vì tiềm năng lưu trữ hydro lớn và chi phí thấp. Khi các kim loại này tiếp xúc với khí hydro, hydro sẽ được hấp thụ trên bề mặt. Thêm năng lượng đầu vào dẫn đến các nguyên tử hydro tìm đường vào mạng tinh thể của kim loại cho đến khi kim loại trở nên bão hòa hydro. Từ đó, vật liệu có thể hấp thụ và giải phóng hydro với lượng lớn hơn.

    Magiê hydrua (MgH2) đã cho thấy nhiều hứa hẹn về khả năng lưu trữ hydro vượt trội. Tuy nhiên, cần có nhiệt độ cao để MgH2 phân hủy và tạo ra hydro. Hơn nữa, sự di chuyển và giải hấp hydro phức tạp của vật liệu, dẫn đến động học khử hydro chậm chạp, đã cản trở ứng dụng thương mại của nó.

    Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tranh luận tại sao quá trình khử hydro trong MgH2 lại khó khăn đến vậy. Nhưng bây giờ, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một câu trả lời.

    Sử dụng các tính toán dựa trên lý thuyết hàm mật độ phân cực spin với các hiệu chỉnh van der Waals, họ đã phát hiện ra một 'hiệu ứng bùng nổ' trong quá trình khử hydro của MgH2. Các rào cản khử hydro ban đầu đo được là 2,52 và 2,53 eV, trong khi các rào cản phản ứng tiếp theo là 0,12-1,51 eV.

    Một “hiệu ứng bùng nổ” thú vị đã được tìm thấy trong quá trình khử hydro của vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn điển hình, MgH2. Sau quá trình khử hydro chậm ở lớp đầu tiên, quá trình giải hấp hydro từ các lớp tiếp theo sẽ dễ dàng hơn nhiều. © Hao Li et al.

    Nhóm đã tiến hành phân tích liên kết sâu hơn bằng phương pháp quần thể Hamilton quỹ đạo tinh thể, trong đó họ xác nhận độ bền liên kết magie-hydrua giảm khi quá trình khử hydro tiếp tục.

    Hao Li, phó giáo sư tại Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến của Đại học Tohoku (WPI-AIMR) và là tác giả tương ứng của bài báo, cho biết:

    Quá trình di chuyển hydro và giải hấp hydro dễ dàng hơn nhiều sau hiệu ứng bùng nổ ban đầu.

    “Những điều chỉnh kỹ thuật kết cấu nhằm thúc đẩy quá trình giải hấp này có thể là chìa khóa để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giải hấp hydro của MgH2.”

    Li và các đồng nghiệp của ông đã chứng minh rằng các chỗ trống hydro duy trì mức độ định vị điện tử cao khi lớp hydro nguyên tử đầu tiên tồn tại. Các phân tích về đặc tính động học của MgH2 sau quá trình khử hydro bề mặt, được thực hiện bằng mô phỏng động lực học phân tử ban đầu, cũng cung cấp thêm bằng chứng.

    Li cho biết thêm: “Những phát hiện của chúng tôi cung cấp cơ sở lý thuyết cho động học khử hydro của MgH2, cung cấp các hướng dẫn quan trọng để sửa đổi các vật liệu lưu trữ hydro dựa trên MgH2”.

    Zalo
    Hotline