実用的な水素貯蔵用のマンガン水素化物モレキュラーシーブのコストは、700 bar タンクの約 5 分の 1 未満になる可能性がある

国際研究チームは、安価な前駆体から容易に合成でき、周囲温度120バールで10.5重量%および197kgH2m-3の可逆的過剰吸着性能を示し、54サイクル後も活性を失わないマンガン水素化物モレキュラーシーブを開発した。 。

研究チームは、生産コストとシステム導入による性能損失を合理的に見積もると、総エネルギー貯蔵コストが 700 bar タンクのコストの約 5 倍安くなり、エネルギー媒体としての水素の採用増加への扉が開かれる可能性があると予測しています。 彼らの研究に関するオープンアクセス論文は、RSC ジャーナル「Energy & Environmental Science」に掲載されています。

水素燃料電池自動車やポータブル機器が将来市場に受け入れられるためには、あらゆる用途に適した効率的で低コストの実用的な水素貯蔵システムとインフラストラクチャを開発する必要があります。 燃料電池車で500kmを超える航続距離を達成するには、約5kgの水素が必要です。 今日の第一世代の水素自動車に採用されている高価な炭素繊維製の 700 バールの不適合水素ガスシリンダーでは、5 kg の水素が約 125 L の体積を占めるため、自動車の設計に望ましくない制約が課せられます。

材料ベースの水素貯蔵システムは、簡素化された熱管理要件により、より低い圧力で水素を貯蔵する可能性をもたらし、車載システムとインフラストラクチャーシステムの両方の複雑さとコストを削減する可能性があります。 一部の金属水素化物は実用的な性能レベルに近づいていますが、熱管理の問題が依然としてその応用を妨げています。

… したがって、燃料電池デバイスの広範な実装を促進するには、周囲条件下で高い重量および体積貯蔵容量を備え、製造が経済的であり、燃料補給のための大規模な熱管理を必要としない材料が必要です。 このような材料は、コストの上昇とエネルギー貯蔵の需要が懸念されているポータブル機器のリチウム電池の代替品となる可能性もあります。

ここでは、安価な前駆体からいくつかの簡単な手順で調製でき、システム実装の見積もりを考慮した場合でも水素貯蔵性能を備えたマンガン水素化物モレキュラーシーブ (KMH-1 = Kubas マンガン水素化物 - 1) を紹介します。これは、米国エネルギー省 (DOE) の最終的なシステム目標である 5 kg の水素に対して 6.5 wt% および 50 kgH2/m3 を満たすか、それを超えるのに十分です。

非極性媒体中での自己集合から予想される逆ミセル鋳型機構によるKMH-1ナノ構造形成の模式図。 スキッパーら。

2012 年の論文 (Skipper et al.) の中で、研究者らは次のように述べています。

…貯蔵物質と水素の結合エンタルピーが 20 ～ 30 kJ mol−1 であれば、貯蔵容量と水素を放出するのに必要なエネルギーとのバランスが最適になります。 この範囲のエンタルピーを達成するために、金属を貯蔵材料に組み込むことができ、これにH2がKubas方式で結合する可能性がある。

Kubas 相互作用は、H-H 結合が切れることなく長くなることと一致しており、満たされた H-H σ 結合軌道から金属の空の d 軌道への σ 供与と、同時に満たされた金属軌道からの π バックドネーションが含まれます。金属 d 軌道を H2 分子の空いた σ* 反結合性軌道に移動させます。

これは、例えば CO と遷移金属との相互作用に関する Dewar-Chatt-Duncanson モデルで説明される相乗結合に似ています。 Kubas 相互作用を利用して水素を貯蔵する固体材料の製造は、高濃度の低原子価と低配位結合部位の両方を備えた材料を合成することが難しいため、大きな課題です (固体状態の遷移金属は、水素を貯蔵することを好みます)。ほとんどの場合 6 配位）、軽量で、水素が構造内に拡散できるのに十分な多孔性を備えています。

研究者らは、非晶質多孔質マンガン水素化物ネットワーク内に特別に調整された Kubas 結合部位を使用し、それ自体が固有のナノスケール ヒートシンクとして機能するため、外部熱管理要件が非常に限定され、あるいは不要になる可能性さえあります。

この材料は周囲条件下で水素を可逆的に貯蔵し、熱力学的に中性であるため、車載貯蔵、さまざまな携帯機器、さらには大量の輸送（チューブトレーラーや船）での利用に大規模なエンジニアリングを必要とせず、同時に、サポートするインフラストラクチャの複雑さとコストを大幅に削減できます。Antonelli et al.

リソース

David M Antonelli、Michel Trudeau、Nikolas Kaltsoyannis、Juergen Eckert、Jan Peter Peter Embs、Leah Morris、James Hales、Peter Georgiev (2018) 「周囲条件下での実用的な水素貯蔵のためのマンガン水素化物分子ふるい」 エネルギーと環境科学 doi: 10.1039 /C8EE02499E

Tuan KA Hoang および David M. Antonelli (2009)「水素貯蔵材料の設計における Kubas 相互作用の活用」Advanced Materials、21(18)、1787–1800 doi: 10.1002/adma.200802832

投稿日: 2018 年 12 月 11 日 in 水素, 水素貯蔵, 材料 | パーマリンク | コメント (9)