Erforschung fortschrittlicher Wasserstoffspeichermaterialien auf Magnesiumbasis und ihrer Anwendungen

Als Energieträger bietet Wasserstoff die herausragenden Vorteile einer hohen gravimetrischen Energiedichte, einer hohen Häufigkeit und von null Emissionen, doch seine effektive Speicherung und sein effektiver Transport bleiben ein Engpassproblem für die weit verbreiteten Anwendungen der Wasserstoffenergie.

Um dieses Problem anzugehen, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene Arten von Wasserstoffspeichermaterialien entwickelt und sorgfältig untersucht. Unter diesen gilt Magnesiumhydrid (MgH2) aufgrund seiner hohen Kapazität, hervorragenden Reversibilität, ausreichenden Magnesiumreserven und niedrigen Kosten als eines der vielversprechendsten Wasserstoffspeichermaterialien.

Die schlechten thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften von MgH2 schränken jedoch seine praktischen Anwendungen ein (die Enthalpie der Wasserstoffdesorption beträgt 74,7 kJ mol-1 H2 und die Desorptionsenergiebarriere beträgt etwa 160 kJ mol-1 H2).

Zur Überwindung der oben genannten Nachteile wurden Legierungen, Katalyse und Nanostrukturierung vorgeschlagen und angewendet. Unter diesen Strategien kann die Einführung der Katalysatoren die lokale elektronische Konfiguration von Mg/MgH2 verändern und die Energiebarriere für die H2-Dissoziation/Rekombination verringern.

Die nanostrukturierten Mg-basierten Materialien haben den Vorteil, dass sie den Diffusionsweg verkürzen und die Oberflächenreaktionsfläche vergrößern, wodurch die Wasserstoffabsorptions- und -desorptionsrate erheblich beschleunigt werden kann. Die Idee, nanostrukturierte Mg-basierte Kern-Schale-Wasserstoffspeichermaterialien zu entwerfen, zielt darauf ab, die Stärken der beiden oben genannten Modifikationsmethoden zu synergieren.

Durch eine solche Strategie können fortschrittliche Mg-basierte Materialien mit Kern-Schale-Nanostrukturen konstruiert und optimiert werden, die sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen vielversprechend sind.

Ein neuer Bericht des Teams von Professor Jianxin Zou von der Shanghai Jiao Tong University fasst den Forschungsfortschritt auf dem Gebiet der nanostrukturierten Kern-Schale-Wasserstoffspeichermaterialien auf Magnesiumbasis zusammen Industrielle Chemie und Materialien vor kurzem, die sich hauptsächlich auf die Herstellungsmethoden, Mikrostrukturen, Eigenschaften und damit verbundene Mechanismen konzentriert. Ziel ist es, die Designprinzipien und zukünftigen Forschungstrends Mg-basierter Wasserstoffspeichermaterialien für industrielle Anwendungen aufzuzeigen.

Nanostrukturierte Kern-Schale-Wasserstoffspeichermaterialien auf Mg-Basis weisen eine hervorragende Wasserstoffabsorptions- und -desorptionskinetik und langfristige Zyklenleistung auf. Darüber hinaus verleiht eine solche einzigartige Struktur den Verbundwerkstoffen einige einzigartige Eigenschaften, zum Beispiel die Fähigkeit, Luftoxidation zu verhindern, eine schnelle Hydrolyserate usw.

Unter Berücksichtigung des oben Gesagten schlägt Zous Gruppe eine vielversprechende Vision für die künftige Verwendung nanostrukturierter Mg-basierter Wasserstoffspeichermaterialien mit Kern-Schale-Struktur vor. Umweltfreundlicher grüner Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solarenergie und Windenergie gewonnen werden. Der Wasserstoff wird in einem festen Wasserstoffspeichertank auf Mg-Basis gespeichert.

Nanostrukturierte Kern-Schale-Materialien auf Mg-Basis können Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen absorbieren und desorbieren, was den Energieverbrauch bei der Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff erheblich reduziert. Das Speichersystem, das Wasserstoff durch Pyrolyse oder Hydrolyse erzeugt, könnte Wasserstoff an Brennstoffzellen zur Stromerzeugung, zur Notstromversorgung in kleinem Maßstab, zur industriellen Nutzung usw. liefern.

Kürzlich wurde offiziell ein Mg-basierter Festkörper-Wasserstoffspeicher- und Transpirationsanhänger (MH-100T) mit einer Tonnage vorgestellt, der mit 12 Festkörper-Wasserstoffspeichertanks und 14,4 Tonnen porösen Mg-Ni-Legierungspellets in großen Mengen ausgestattet ist Neue Ära für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff in festem Zustand.

In Zukunft können nanostrukturierte Kern-Schale-Materialien auf Mg-Basis mit besseren Wasserstoffsorptionseigenschaften, wie z. B. einer niedrigeren Wasserstoffdesorptionstemperatur, einer schnelleren Sorptionsgeschwindigkeit und einer höheren Speicherkapazität, eingesetzt werden, um die Leistung von Mg-basierten Wasserstoffspeichersystemen weiter zu verbessern und zu erweitern ihre Anwendungsfelder in der Wasserstoffindustrie.

Mg-basierte Wasserstoffspeichersysteme haben aufgrund ihrer hohen Wasserstoffspeicherdichten, ihrer guten zyklischen Leistung und der großen Menge an Mg auf der Erde große Aufmerksamkeit für mögliche Anwendungen als Wasserstoffträger auf sich gezogen. Die Reduzierung der Wasserstoffdesorptionstemperatur auf einen Bereich, der mit der Abwärme eines Brennstoffzellenstapels kompatibel ist (ungefähr 60-150 °C-Bereich), ist derzeit wahrscheinlich das wichtigste Ziel der Forschung an nanostrukturierten Wasserstoffspeichermaterialien.

Die größte Herausforderung bleibt jedoch die derzeitige Unfähigkeit, Kinetik, Thermodynamik und zyklische Leistungen gleichzeitig auf einfache und effiziente Weise zu steuern. Viele experimentelle und theoretische Untersuchungen haben die Zusammenhänge zwischen Kern-Schale-Strukturen und verbesserten Wasserstoffsorptionseigenschaften von Mg/MgH2 gezeigt.

Es ist besonders wichtig, die optimalen Verarbeitungsparameter und technischen Wege zu finden, um fortschrittliche nanostrukturierte Mg/MgH2-Nanopartikel mit Kern und Schale mit kleineren Größen und besseren katalytischen Schalen zu synthetisieren, um ihre Wasserstoffspeichereigenschaften zu verbessern und Nutzen und Kosten in Einklang zu bringen, um die Anforderungen zu erfüllen industrielle Anwendungen.

Darüber hinaus müssen in Zukunft neue Designprinzipien für verschiedene spezifische nanostrukturierte Wasserstoffspeichermaterialien entwickelt werden, beispielsweise die präzise Steuerung der katalytischen Wirkung im Mg/MgH2-Gitter auf atomarer Ebene, die Zusammensetzung und die Strukturoptimierung mithilfe von Materialgenome-Engineering-Methoden , usw.

„In dieser Rezension möchten wir den Lesern die neuesten Forschungs- und Entwicklungsergebnisse zu fortschrittlichen Mg-basierten Wasserstoffspeichermaterialien und deren Zukunftsaussichten im Bereich der Wasserstoffenergie vorstellen“, sagte Zou.