Verbesserung der MgH₂-Wasserstoffspeicherung mit mit Sauerstoffleerstellen angereicherten H-V₂O₅-Nanoblättern als aktive H-Pumpe

Angesichts der Erschöpfung der fossilen Brennstoffe und der globalen Erwärmung besteht dringender Bedarf an der Suche nach grünen, sauberen und effizienten Energiequellen. Vor diesem Hintergrund gilt Wasserstoff aufgrund seiner hohen Energiedichte und Umweltfreundlichkeit als potenzieller Kandidat für den Ersatz fossiler Brennstoffe. Um die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft zu realisieren, sind sichere und effiziente Wasserstoffspeichertechnologien von entscheidender Bedeutung.

Im Vergleich zu herkömmlichen Speichertechnologien für komprimierten Wasserstoff und kryogenen flüssigen Wasserstoff gilt die Festkörperspeicherung von Wasserstoff als sicherere und effizientere Methode. Magnesiumhydrid (MgH2) hat als eines der vielversprechendsten Festkörper-Wasserstoffspeichermaterialien aufgrund seiner reichhaltigen Elementarressourcen, seiner hohen Wasserstoffspeicherkapazität, seiner guten Reversibilität und seiner Ungiftigkeit Aufmerksamkeit erregt. Allerdings schränkt die relativ hohe Betriebstemperatur von MgH2 seine großtechnische kommerzielle Anwendung in der Wasserstoffspeicherung in Fahrzeugen oder stationären Anlagen ein.

Die Einführung von Katalysatoren auf Übergangsmetallbasis mit einzigartigen dreidimensionalen elektronischen Strukturen gilt als wirksame Methode zur Verbesserung der Kinetik von MgH2. Vanadium (V) und seine Oxide werden aufgrund ihrer Multivalenz und hohen katalytischen Aktivität häufig als Katalysatoren für MgH2 verwendet. Aufgrund der hohen Duktilität von metallischem Vanadium und der relativ geringen Aktivität haben Oxide auf Vanadiumbasis jedoch breitere Anwendungsaussichten.

Schichtförmiges V2O5 mit Schichtstruktur ist einer der vielversprechenden Katalysatoren zur Verbesserung der Wasserstoffspeicherleistung von MgH2/Mg, allerdings ist die katalytische Kapazität aufgrund des unzureichenden Kontakts zwischen V2O5 und MgH2 begrenzt.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Team von Dr. Jianxin Zou an der Shanghai Jiao Tong University eine Solvothermalmethode mit anschließender Hydrierung, um ultradünne hydrierte V2O5-Nanoblätter mit zahlreichen Sauerstoffleerstellen herzustellen und sie als Katalysatoren zur Verbesserung der Wasserstoffspeicherleistung von MgH2 zu verwenden.

Die Studie ist veröffentlicht im Journal Nano-Mikro-Buchstaben.

Das MgH2-H-V2O5-Verbundmaterial weist eine hervorragende Wasserstoffspeicherleistung auf, einschließlich einer niedrigeren Desorptionstemperatur (Tonset = 185 °C), einer schnellen Desorptionskinetik (Ea = 84,55 kJ mol−1 H2 für die Desorption) und einer langfristigen zyklischen Stabilität ( Kapazitätserhalt von bis zu 99 % nach 100 Zyklen). Insbesondere das MgH2-H-V2O5-Verbundmaterial zeigt eine hervorragende Wasserstoffabsorptionsleistung bei Raumtemperatur mit einer Wasserstoffabsorptionskapazität von 2,38 Gew.-% innerhalb von 60 Minuten bei 30 °C.

Die von Dr. Zous Team synthetisierten H-V2O5-Nanoblätter besitzen eine einzigartige zweidimensionale Struktur und reichlich Sauerstoffleerstellen, was die In-situ-Bildung von V/VH2 während des Reaktionsprozesses ermöglicht, was alles dazu beiträgt, die Wasserstoffspeicherleistung von MgH2 zu verbessern.

Durch die Verwendung einer Solvothermalmethode zur Erzeugung einer ausgeprägten anisotropen Schichtstruktur entsteht eine stark exponierte Oberfläche, die mehr aktive Stellen und Wege für die Wasserstoff-/Elektronendiffusion bietet und so die Wasserstoffspeicherleistung verbessert. Darüber hinaus beschleunigt das Vorhandensein von Sauerstoffleerstellen den Elektronentransfer, stimuliert den „Wasserstoffpumpen“-Effekt von VH2/V, erleichtert die Dehydrierung von VH2 und MgH2 und verringert die Energiebarrieren für die Wasserstoffdissoziation und -rekombination.

Die Einführung von Sauerstofffehlstellendefekten in den Katalysator eröffnet somit einen neuen Weg zur Verbesserung der zyklischen Stabilität und kinetischen Leistung von MgH2.