Forscher haben ein datengesteuertes Modell entwickelt, um die Dehydrierungsbarrieren von Magnesiumhydrid (MgH2) vorherzusagen, einem vielversprechenden Material für die Festkörperspeicherung von Wasserstoff. Dieser Fortschritt birgt ein erhebliches Potenzial für die Verbesserung der Wasserstoffspeichertechnologien, einer entscheidenden Komponente beim Übergang zu nachhaltigen Energielösungen.
Wasserstoff, der für seine Vielseitigkeit und sein Potenzial für saubere Energie bekannt ist, kann aus verschiedenen erneuerbaren Quellen hergestellt werden. Festkörper-Wasserstoffspeichermaterialien, insbesondere MgH2, gelten aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität und Ressourcenfülle als erstklassige Kandidaten für eine effiziente Wasserstoffspeicherung.
Trotz umfangreicher Forschung in den letzten fünf Jahrzehnten müssen die Materialeigenschaften von MgH2 jedoch noch immer die vom US-Energieministerium (US-DOE) festgelegten Leistungsziele erfüllen.
Die größte Herausforderung besteht darin, die Grundprinzipien von Wasserstoffspeicherreaktionen im Festkörper zu verstehen. Aktuelle Methoden zur Bewertung der Effizienz von Wasserstoffspeichermaterialien basieren auf Dehydrierungsenthalpie und Energiebarrieren, wobei letztere besonders komplex und rechenintensiv zu berechnen sind. Herkömmliche Techniken zur Suche nach Übergangszuständen bleiben, obwohl sie im Laufe der Zeit verfeinert wurden, kostspielig und zeitaufwändig, was das Tempo der Entdeckung und Optimierung einschränkt.
Um dieses Problem anzugehen, hat das Forschungsteam ein Modell eingeführt, das die Dehydrierungsbarrieren mithilfe leicht berechenbarer Parameter vorhersagt: dem Kristall-Hamilton-Populationorbital der Mg-H-Bindung und dem Abstand zwischen atomaren Wasserstoffatomen. Durch die Ableitung eines Distanz-Energie-Verhältnisses erfasst das Modell die wesentliche Chemie der Reaktionskinetik mit deutlich geringerem Rechenaufwand als herkömmliche Methoden.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Angewandte Chemie Internationale Ausgabe.
„Unser Modell bietet eine schnellere und effizientere Möglichkeit, die Dehydrierungsleistung von Wasserstoffspeichermaterialien vorherzusagen“, sagte Hao Li, außerordentlicher Professor am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Tohoku-Universität und korrespondierender Autor des Papiers. „Dadurch können wir die Wissenslücke schließen, die experimentelle Techniken hinterlassen, und die Entwicklung leistungsstarker Wasserstoffspeicherlösungen beschleunigen.“
Die Vorhersagekraft des Modells wurde anhand typischer experimenteller Messungen validiert, zeigte eine hervorragende Übereinstimmung und lieferte klare Designrichtlinien zur Verbesserung der Leistung von MgH2. Dieser Durchbruch bringt Magnesiumhydrid nicht nur näher an die US-DOE-Ziele heran, sondern schafft auch die Voraussetzungen für breitere Anwendungen in anderen Metallhydriden.
Das Forschungsteam plant, die Anwendung des Modells über Magnesium-basierte Materialien hinaus auszuweiten. Die Flexibilität der Modellvariablen ermöglicht eine schnelle Neukalibrierung auf verschiedene Metallhydride und erleichtert möglicherweise die Entdeckung neuer Verbundmaterialien und innovativer Festkörper-Wasserstoffspeicherlösungen.
„Durch die Anpassung unseres Modells an verschiedene Metallhydride können wir die Erforschung und Optimierung von Wasserstoffspeichermaterialien beschleunigen und so den Weg für sauberere und effizientere Energiesysteme ebnen“, fügte Li hinzu.
Mehr Informationen:
Chaoqun Li et al., Darstellung der Lücke zwischen der Leistung und dem Wasserstoffspeicherziel des US-DOE: Ein datengesteuertes Modell für die MgH2-Dehydrierung, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2024). DOI: 10.1002/ange.202320151