Súper

5 de septiembre de 2022

por Linda Behringer, Sociedad Max Planck

El hidrógeno (H2) se discute actualmente como un vector energético ideal de las energías renovables. El hidrógeno tiene la densidad de energía gravimétrica más alta de todos los combustibles químicos (141 MJ/kg), que es tres veces mayor que la gasolina (46 MJ/kg). Sin embargo, su baja densidad volumétrica restringe su uso generalizado en aplicaciones de transporte, ya que las opciones de almacenamiento actuales requieren mucho espacio.

A temperatura ambiente, el hidrógeno es un gas y un kilogramo de hidrógeno ocupa un volumen de 12000 litros (12 metros cúbicos). En los vehículos de pila de combustible, el hidrógeno se almacena a una presión muy alta de 700 veces la presión atmosférica, lo que reduce el volumen a 25 litros por kilogramo de H2. El hidrógeno líquido muestra una densidad más alta que da como resultado 14 litros por kilogramo, pero requiere temperaturas extremadamente bajas ya que el punto de ebullición del hidrógeno es -253 °C.

Ahora, un equipo de científicos del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes, la Technische Universität Dresden, la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge han demostrado que el hidrógeno se condensa en una superficie a una temperatura muy baja cerca del H2 punto de ebullición, formando una monocapa superdensa que supera la densidad del hidrógeno líquido en un factor de casi tres, lo que reduce el volumen a solo 5 litros por kilogramo de H2.

El sorprendente resultado fue que el doble de moléculas de H2 que de átomos del gas noble argón cubrieron la superficie, aunque ambos tienen casi el mismo tamaño. Para duplicar el número de moléculas por área, las moléculas de H2 se comprimen muy juntas, formando una capa súper densa.

El estudio de R. Balderas-Xicohténcatl et al. involucró experimentos de crioadsorción de alta resolución en sílice mesoporosa altamente ordenada que presentaba características de poro y superficie bien definidas para determinar el número de moléculas condensadas en la superficie del material.

La dispersión inelástica de neutrones es una herramienta ideal para seguir la formación de esta capa bidimensional de hidrógeno. Por primera vez, se confirmó in situ la existencia de este hidrógeno superdenso. Esta observación directa solo fue posible utilizando el espectrómetro vibracional de neutrones de alta resolución VISION, que presenta una tasa de conteo inelástica más de 100 veces mayor que cualquier espectrómetro similar disponible.

Los estudios teóricos confirman las observaciones experimentales de la inusualmente alta densidad de hidrógeno en la capa adsorbida. Las fuerzas de atracción en la superficie fueron más fuertes que la repulsión entre dos moléculas de hidrógeno, lo que resultó en un empaque de hidrógeno súper denso en la superficie de sílice mesoporosa. La súper alta densidad es consecuencia de la alta compresibilidad del hidrógeno, que no tiene electrones en el núcleo.

La formación de la capa de hidrógeno súper densa a bajas temperaturas cerca del punto de ebullición es de fundamental interés. Debe considerarse para el análisis cuantitativo de las isotermas de adsorción de H2 a 20 K. También puede abrir nuevas posibilidades para mejorar la capacidad volumétrica de los sistemas criogénicos de almacenamiento de hidrógeno para muchas aplicaciones en una próxima economía del hidrógeno.

La investigación fue publicada en Nature Chemistry.

Más información: Rafael Balderas-Xicohténcatl et al, Formación de una monocapa de hidrógeno superdensa sobre sílice mesoporosa, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7

Información del diario:Química de la naturaleza

Proporcionado por la Sociedad Max Planck