Oxidation-resilient structural modifications in Nickel-functionalized 3D-graphene for hydrogen storage applications

El mundo está buscando una forma de almacenar hidrógeno, un combustible limpio que arde sin producir dióxido de carbono. Si bien el hidrógeno promete mucho para impulsar coches e industrias, mantenerlo seguro y lo suficientemente denso para que sea útil es un gran obstáculo. Los métodos tradicionales consisten en comprimir el gas en tanques pesados o congelarlo en forma de líquido, ambos procesos que consumen mucha energía y conllevan riesgos de seguridad. Los científicos buscan cada vez más materiales sólidos que puedan actuar como esponjas, absorbiendo átomos de hidrógeno y manteniéndolos fuertemente sujetos hasta que sean necesarios. Entre estos materiales, el grafeno —una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal de abeja— ha sido durante mucho tiempo un favorito debido a su inmensa superficie. Sin embargo, las láminas planas de grafeno tienden a apelmazcarse, perdiendo su capacidad de absorber gas. Para resolver esto, los investigadores han desarrollado versiones tridimensionales de este material, creando una red porosa similar a una esponja que mantiene la superficie alta y accesible. El desafío ahora es hacer que estas esponjas sean aún mejores capturando hidrógeno y asegurar que puedan sobrevivir en el mundo real, donde el aire y el oxígeno siempre están presentes.

Un equipo de investigadores en Italia y Austria ha dado un paso significativo al probar cómo la adición de diminutas motas de níquel a esta esponja de grafeno 3D afecta su capacidad para almacenar hidrógeno y resistir el daño del oxígeno. Comenzaron con un andamio de carburo de silicio poroso, una estructura robusta que convirtieron en una estructura de grafeno 3D mediante el calentamiento a temperaturas extremas. Luego sumergieron esta estructura en un líquido que contenía nanopartículas de níquel, permitiendo que las motas de metal se asentaran sobre la superficie. El objetivo era ver si estas partículas de níquel actuarían como catalizadores, ayudando al grafeno a capturar hidrógeno más fácilmente, y comprender qué sucede cuando el material se expone al aire.

Los investigadores examinaron primero el material bajo potentes microscopios para ver cómo se veía el níquel antes y después del calentamiento. Antes de cualquier tratamiento térmico, el níquel aparecía como puntos distintos y diminutos dispersos sobre la superficie del grafeno. Sin embargo, cuando calentaron la muestra a 900 grados Celsius, algo interesante sucedió: los puntos individuales parecieron desaparecer. En lugar de desaparecer, el níquel se extendió para cubrir áreas superficiales extensas, dejando de ser distinguible como entidades discretas. Este cambio sugirió que el níquel no solo estaba sentado encima, sino que probablemente se estaba deslizando debajo de las capas de grafeno, un proceso conocido como intercalación. Para confirmar qué estaba sucediendo químicamente, utilizaron una técnica que mide la energía de los electrones que provienen de la superficie. Este análisis mostró que, a medida que la temperatura aumentaba, el níquel se volvía más metálico y menos cubierto por los productos químicos utilizados para fabricar las partículas en primer lugar. Crucialmente, los datos indicaron que el níquel se estaba moviendo debajo del grafeno, lo cual es un factor clave en cómo se comporta el material más adelante.

Cuando el equipo probó cuánto hidrógeno podía contener el material, descubrieron que el tratamiento térmico marcaba una gran diferencia. Las muestras calentadas a 900 grados Celsius absorbieron y liberaron significativamente más hidrógeno que aquellas calentadas a temperaturas más bajas. Esto se debió a que el alto calor eliminó impurezas superficiales y creó más puntos activos para que el hidrógeno se uniera. Pero la verdadera prueba llegó cuando introdujeron oxígeno. En el mundo real, el combustible de hidrógeno suele contener pequeñas cantidades de oxígeno, lo que puede envenenar los materiales de almacenamiento y detener su funcionamiento. Cuando los investigadores expusieron sus muestras tratadas con níquel al aire durante dos días, la capacidad del material para almacenar hidrógeno cayó drásticamente. Los puntos de almacenamiento de alta temperatura, que habían sido tan efectivos, quedaron casi completamente bloqueados por el oxígeno, particularmente cuando se expusieron al hidrógeno molecular.

Sin embargo, la historia no terminó en fracaso. Los investigadores descubrieron que el daño no era permanente. Cuando calentaron nuevamente las muestras expuestas al oxígeno a 900 grados Celsius y luego las expusieron al hidrógeno atómico, el material recuperó su capacidad de almacenar hidrógeno. Los puntos de almacenamiento de alta temperatura regresaron, demostrando que el proceso era reversible. Incluso más sorprendente, un tipo específico de sitio de almacenamiento se mantuvo fuerte durante todo el proceso. Este sitio, que opera a una temperatura moderada, no perdió su capacidad de retener hidrógeno incluso después de la exposición al oxígeno. De hecho, después de que el material fuera calentado y enfriado varias veces, este almacenamiento de temperatura moderada se volvió más fuerte, reteniendo aproximadamente un 85 por ciento más de hidrógeno que antes. Los investigadores creen que esto se debe a que el níquel que se había deslizado bajo el grafeno creó bordes protegidos donde el hidrógeno podía esconderse, a salvo del oxígeno que estaba bloqueando la superficie.

El estudio concluye que, si bien el oxígeno puede dificultar temporalmente el rendimiento de estas esponjas de hidrógeno avanzadas, el daño no es permanente. Al utilizar el calor intenso para limpiar la superficie y confiar en el níquel que se ha movido debajo del grafeno, el material puede restaurarse e incluso mejorarse. El grafeno 3D funcionalizado con níquel muestra una notable resiliencia, manteniendo su capacidad para almacenar hidrógeno incluso después de repetidos ciclos de exposición al aire y regeneración. Esto sugiere que tales materiales podrían ser candidatos viables para sistemas de almacenamiento de hidrógeno en el mundo real, siempre que se gestionen con los ciclos de calentamiento adecuados para mantenerlos limpios y activos. El trabajo destaca que la interacción entre el metal y la estructura de carbono es compleja y dinámica, ofreciendo un camino hacia soluciones de almacenamiento de energía más estables y eficientes.