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

Il mondo è alla ricerca di un modo per conservare l'idrogeno, un combustibile pulito che brucia senza produrre anidride carbonica. Sebbene l'idrogeno prometta grandi cose per l'alimentazione di auto e industrie, mantenerlo sicuro e abbastanza denso da essere utile è un ostacolo importante. I metodi tradizionali prevedono di comprimere il gas in serbatoi pesanti o di congelarlo in forma liquida, entrambi processi energivori e che comportano rischi per la sicurezza. Gli scienziati guardano sempre più spesso a materiali solidi che possano agire come spugne, assorbendo atomi di idrogeno e trattenendoli saldamente finché non sono necessari. Tra questi materiali, il grafene — un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un motivo a nido d'ape — è da tempo uno dei preferiti grazie alla sua immensa superficie. Tuttavia, i fogli piatti di grafene tendono ad agglomerarsi, perdendo la loro capacità di assorbire gas. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato versioni tridimensionali di questo materiale, creando una rete porosa e simile a una spugna che mantiene la superficie elevata e accessibile. La sfida ora è rendere queste spugne ancora più brave a catturare l'idrogeno e garantire che possano sopravvivere nel mondo reale, dove l'aria e l'ossigeno sono sempre presenti.

Un team di ricercatori in Italia e Austria ha compiuto un passo significativo in avanti testando come l'aggiunta di minuscoli granelli di nichel a questa spugna di grafene 3D influenzi la sua capacità di immagazzinare idrogeno e resistere ai danni dell'ossigeno. Sono partiti da un'impalcatura di carburo di silicio poroso, una struttura robusta che hanno trasformato in una struttura di grafene 3D riscaldandola a temperature estreme. Successivamente, hanno immerso questa struttura in un liquido contenente nanoparticelle di nichel, permettendo ai granelli metallici di depositarsi sulla superficie. L'obiettivo era vedere se queste particelle di nichel avrebbero agito come catalizzatori, aiutando il grafene a catturare l'idrogeno più facilmente, e comprendere cosa accade quando il materiale viene esposto all'aria.

I ricercatori hanno prima esaminato il materiale sotto potenti microscopi per vedere come appariva il nichel prima e dopo il riscaldamento. Prima di qualsiasi trattamento termico, il nichel appariva come piccoli punti distinti sparsi sulla superficie del grafene. Tuttavia, quando hanno riscaldato il campione a 900 gradi Celsius, è successo qualcosa di interessante: i singoli punti sembravano svanire. Invece di scomparire, il nichel si è diffuso per coprire estese aree superficiali, non essendo più distinguibile come entità discrete. Questo cambiamento suggeriva che il nichel non fosse solo appoggiato sopra, ma che probabilmente stesse scivolando sotto gli strati di grafene, un processo noto come intercalazione. Per confermare ciò che accadeva chimicamente, hanno utilizzato una tecnica che misura l'energia degli elettroni provenienti dalla superficie. Questa analisi ha mostrato che, al crescere della temperatura, il nichel diventava più metallico e meno coperto dalle sostanze chimiche utilizzate per creare le particelle in primo luogo. Fondamentalmente, i dati indicavano che il nichel si stava spostando sotto il grafene, un fattore chiave nel modo in cui il materiale si comporterà in seguito.

Quando il team ha testato quanto idrogeno il materiale potesse contenere, ha scoperto che il trattamento termico faceva una grande differenza. I campioni riscaldati a 900 gradi Celsius assorbivano e rilasciavano significativamente più idrogeno rispetto a quelli riscaldati a temperature inferiori. Ciò era dovuto al fatto che l'alto calore rimuoveva le impurità superficiali e creava più punti attivi per l'attacco dell'idrogeno. Ma la vera prova arrivò quando hanno introdotto l'ossigeno. Nel mondo reale, il combustibile a idrogeno contiene spesso piccole quantità di ossigeno, che può avvelenare i materiali di stoccaggio e impedirne il funzionamento. Quando i ricercatori hanno esposto i loro campioni trattati con nichel all'aria per due giorni, la capacità del materiale di immagazzinare idrogeno è scesa drasticamente. I siti di stoccaggio ad alta temperatura, che erano stati così efficaci, sono stati quasi completamente bloccati dall'ossigeno, in particolare quando esposti all'idrogeno molecolare.

Tuttavia, la storia non è finita con un fallimento. I ricercatori hanno scoperto che il danno non era permanente. Quando hanno riscaldato nuovamente i campioni esposti all'ossigeno a 900 gradi Celsius e poi li hanno esposti all'idrogeno atomico, il materiale ha recuperato la sua capacità di immagazzinare idrogeno. I siti di stoccaggio ad alta temperatura sono tornati, provando che il processo era reversibile. Ancora più sorprendente, un tipo specifico di sito di stoccaggio è rimasto forte durante l'intero processo. Questo sito, che opera a una temperatura moderata, non ha perso la sua capacità di trattenere l'idrogeno anche dopo l'esposizione all'ossigeno. Infatti, dopo che il materiale è stato riscaldato e raffreddato diverse volte, questo stoccaggio a temperatura moderata è diventato in realtà più forte, trattenendo circa l'85 percento di idrogeno in più rispetto a prima. I ricercatori credono che questo sia dovuto al fatto che il nichel, che era scivolato sotto il grafene, ha creato bordi protetti dove l'idrogeno poteva nascondersi, al sicuro dall'ossigeno che bloccava la superficie.

Lo studio conclude che, sebbene l'ossigeno possa ostacolare temporaneamente le prestazioni di queste avanzate spugne di idrogeno, il danno non è permanente. Utilizzando l'alto calore per pulire la superficie e facendo affidamento sul nichel che si è spostato sotto il grafene, il materiale può essere ripristinato e persino migliorato. Il grafene 3D funzionalizzato con nichel mostra una resilienza straordinaria, mantenendo la sua capacità di immagazzinare idrogeno anche dopo ripetuti cicli di esposizione all'aria e rigenerazione. Ciò suggerisce che tali materiali potrebbero essere candidati validi per sistemi di stoccaggio dell'idrogeno nel mondo reale, a condizione che siano gestiti con i giusti cicli di riscaldamento per mantenerli puliti e attivi. Il lavoro evidenzia che l'interazione tra il metallo e la struttura di carbonio è complessa e dinamica, offrendo una via verso soluzioni di stoccaggio dell'energia più stabili ed efficienti.