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

De wereld zoekt naar een manier om waterstof op te slaan, een schone brandstof die brandt zonder koolstofdioxide te produceren. Hoewel waterstof grote belofte inhoudt voor het aandrijven van auto's en de industrie, is het veilig en compact genoeg houden ervan een grote hindernis. Traditionele methoden houden in dat het gas in zware tanks wordt geperst of wordt bevroren tot een vloeistof, wat beide energie-intensief is en veiligheidsrisico's met zich meebrengt. Wetenschappers kijken steeds vaker naar vaste materialen die kunnen fungeren als sponsjes, die waterstofatomen opzuigen en ze stevig vasthouden totdat ze nodig zijn. Onder deze materialen is grafeen — een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon — lang een favoriet geweest vanwege het enorme oppervlak. Echter, platte vellen grafeen hebben de neiging om samen te klonteren, waardoor ze hun vermogen om gas te absorberen verliezen. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers driedimensionale versies van dit materiaal ontwikkeld, waarbij een poreus, sponsachtig netwerk is gecreëerd dat het oppervlak groot en toegankelijk houdt. De uitdaging nu is om deze sponsjes nog beter te laten grijpen naar waterstof en om ervoor te zorgen dat ze kunnen overleven in de echte wereld, waar lucht en zuurstof altijd aanwezig zijn.

Een team van onderzoekers in Italië en Oostenrijk heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet door te testen hoe het toevoegen van minuscule deeltjes nikkel aan deze 3D-grafenspons invloed heeft op het vermogen om waterstof op te slaan en weerstand te bieden aan schade door zuurstof. Ze begonnen met een poreus siliciumcarbide-steiger, een stevig frame dat ze door het tot extreme temperaturen te verhitten, in een 3D-grafenstructuur hebben omgevormd. Vervolgens doopten ze deze structuur in een vloeistof die nikkelnanodeeltjes bevatte, waardoor de metaaldeeltjes zich op het oppervlak konden nestelen. Het doel was om te zien of deze nikkeldeeltjes als katalysatoren zouden fungeren, wat helpt om de grafeen gemakkelijker waterstof te laten grijpen, en om te begrijpen wat er gebeurt wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan lucht.

De onderzoekers onderzochten het materiaal eerst onder krachtige microscopen om te zien hoe de nikkel eruitzag vóór en na het verhitten. Vóór de hittebehandeling verscheen de nikkel als duidelijke, kleine stipjes verspreid over het grafenoppervlak. Echter, toen ze de monster verhitten tot 900 graden Celsius, gebeurde er iets interessants: de individuele stipjes leken te verdwijnen. In plaats van te verdwijnen, verspreidde de nikkel zich om uitgebreide oppervlakken te bedekken, waardoor deze niet langer als afzonderlijke entiteiten te onderscheiden was. Deze verandering suggereerde dat de nikkel niet alleen bovenop zat, maar waarschijnlijk onder de grafeenlagen naar binnen gleed, een proces dat bekend staat als intercalatie. Om te bevestigen wat er chemisch gebeurde, gebruikten ze een techniek die de energie van elektronen meet die van het oppervlak komen. Deze analyse toonde aan dat naarmate de temperatuur steeg, de nikkel metallischer werd en minder bedekt was door de chemicaliën die werden gebruikt om de deeltjes te maken. Cruciaal was dat de gegevens aangaven dat de nikkel onder het grafeen bewoog, wat een sleutelfactor is in hoe het materiaal zich later gedraagt.

Toen het team testte hoeveel waterstof het materiaal kon bevatten, ontdekten ze dat de hittebehandeling een groot verschil maakte. Monsters die werden verhit tot 900 graden Celsius absorbeerden en gaven aanzienlijk meer waterstof af dan monsters die bij lagere temperaturen waren verhit. Dit kwam omdat de hoge hitte onzuiverheden aan het oppervlak verwijderde en meer actieve plekken creëerde waar de waterstof zich aan kon hechten. Maar de echte test kwam toen ze zuurstof introduceerden. In de echte wereld bevat waterstofbrandstof vaak kleine hoeveelheden zuurstof, wat opslagmaterialen kan vergiftigen en ervoor kan zorgen dat ze niet meer werken. Wanneer de onderzoekers hun met nikkel behandelde monsters twee dagen lang aan de lucht blootstelden, daalde het vermogen van het materiaal om waterstof op te slaan scherp. De opslagplaatsen bij hoge temperatuur, die zo effectief waren geweest, werden bijna volledig geblokkeerd door de zuurstof, met name bij blootstelling aan moleculaire waterstof.

Echter, het verhaal eindigde niet met falen. De onderzoekers ontdekten dat de schade niet permanent was. Wanneer ze de door zuurstof blootgestelde monsters opnieuw verhitten tot 900 graden Celsius en vervolgens aan atomaire waterstof blootstelden, herstelde het materiaal zijn vermogen om waterstof op te slaan. De opslagplaatsen bij hoge temperatuur keerden terug, wat bewees dat het proces omkeerbaar was. Nog verrassender was dat één specifiek type opslagplaats sterk bleef gedurende het hele proces. Deze opslagplaats, die op een matige temperatuur werkt, verloor niet zijn vermogen om waterstof vast te houden, zelfs niet na de blootstelling aan zuurstof. Sterker nog, nadat het materiaal meerdere keren werd verhit en afgekoeld, werd deze opslag bij een matige temperatuur zelfs sterker en hield het ongeveer 8ks 85 procent meer waterstof vast dan voorheen. De onderzoekers geloven dat dit komt doordat de nikkel die onder het grafeen was gegleden, beschermde randen creëerde waar waterstof zich kon verschuilen, veilig voor de zuurstof die het oppervlak blokkeerde.

De studie concludeert dat hoewel zuurstof de prestaties van deze geavanceerde waterstofsponsjes tijdelijk kan hinderen, de schade niet permanent is. Door hoge hitte te gebruiken om het oppervlak te reinigen en te vertrouwen op de nikkel die onder het grafeen is gekomen, kan het materiaal worden hersteld en zelfs worden verbeterd. De met nikkel gefunctionaliseerde 3D-grafeen vertoont een opmerkelijke veerkracht en behoudt zijn vermogen om waterstof op te slaan, zelfs na herhaalde cycli van blootstelling aan lucht en regeneratie. Dit suggereert dat dergelijke materialen levensvatbare kandidaten kunnen zijn voor waterstofopslagsystemen in de echte wereld, mits ze worden beheerd met de juiste verwarmingscycli om ze schoon en actief te houden. Het werk benadrukt dat de interactie tussen het metaal en de koolstofstructuur complex en dynamisch is, wat een pad biedt naar stabielere en efficiëntere oplossingen voor energieopslag.