Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben die Wasserstoffspeicherreaktionen in einem vielversprechenden Material simuliert und herausgefunden, warum sich die Wasserstoffaufnahme verlangsamt, wenn das Material Wasserstoff absorbiert, was Erkenntnisse liefert, die für Verbesserungen genutzt werden könnten.
Die Verbesserung der Wasserstoffspeicherung in Festkörpermaterialien hängt von einem besseren Verständnis mehrstufiger chemischer Reaktionen ab, die an komplexen Grenzflächen stattfinden. An diesen Grenzflächen wandelt sich das Material von einem wasserstofffreien in eine wasserstoffgesättigte Phase um, wenn seine konstituierenden molekularen Einheiten reagieren und sich mit Wasserstoff binden und sich strukturell neu anordnen. Analoge Transformationen bestimmen eine Vielzahl chemischer und elektrochemischer Energiespeicherkontexte, von Wasserstoffspeichermaterialien bis hin zu Batterien.
Um die zugrunde liegenden Mechanismen aufzudecken, die an der Hydrierung von Magnesiumdiborid (MgB2) beteiligt sind, hat ein Team von LLNL-Wissenschaftlern Molekulardynamiksimulationen verwendet. Sie fanden heraus, dass Magnesiumionen (Mg2+) die elektrische Polarisierung molekularer Einheiten und die Ladungsumverteilung antreiben, die entscheidend für die Abspaltung von Bor (B) aus dem ursprünglichen MgB2-Material sind und die sequentielle Wasserstoffbindung an B-Atome ermöglichen, um die wasserstoffgesättigte Mg(BH4)2-Phase zu bilden . Insbesondere polarisieren benachbarte Mg2+-Ionen BHX-Einheiten, wodurch das positiv geladene zentrale Boratom Wasserstoffanionen anziehen und binden kann, die durch Wechselwirkungen mit Mg2+ negativ geladen sind. Die Forschung erscheint in der Zeitschrift ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen.
Die Analyse ergab außerdem eine mögliche Erklärung für die Verlangsamung der Wasserstoffaufnahme in MgB2 bei der Bildung von Mg(BH4)2, die eine vollständige Hydrierung ohne hohe Temperatur und hohen Druck in Experimenten verhindert. Das in den hexagonalen Schichten von MgB2 enthaltene Bor ist weniger stabil und neigt daher eher dazu, Wasserstoff zu binden, wenn die lokale Umgebung Mg-arm ist. Wenn sich das Material jedoch in Mg(BH4)2 umwandelt, werden die Oberflächen des verbleibenden MgB2-Materials Mg-reicher, wodurch die Hydrierung verlangsamt wird.
„Unsere Simulationen erfassen die Reaktionswege in MgB2, die zur Wasserstoffabsorption führen“, sagte der LLNL-Physiker und Autor Keith Ray. „Hoffentlich wird dieses Verständnis weitere Forschungen ermöglichen, um eine schnelle Hydrierung bei niedrigeren Temperaturen und Drücken zu ermöglichen.“
Andere LLNL-Autoren sind ShinYoung Kang, Liwen Wan, Sichi Li, Tae Wook Heo, Jonathan Lee, Alexander Baker und Brandon Wood.
Keith G. Ray et al., Understanding Hydrogenation Chemistry at MgB2 Reactive Edges from Ab Initio Molecular Dynamics, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c23524