Un grupo de investigadores ha identificado el obstáculo clave de un material de hidrógeno de estado sólido común, allanando el camino para futuras pautas de diseño y un uso comercial generalizado.

Los detalles de sus hallazgos se publicaron en el Journal of Materials Chemistry A, donde el artículo se presentó como artículo de portada.

El hidrógeno jugará un papel importante en impulsar nuestro futuro. Es abundante y no produce emisiones nocivas cuando se quema. Pero el almacenamiento y transporte de hidrógeno es costoso y arriesgado.

Actualmente, el hidrógeno se almacena mediante tres métodos: almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión, almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura y almacenamiento de hidrógeno en estado sólido. Entre el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido, los materiales de estado sólido son generalmente los más seguros y proporcionan la mayor densidad de almacenamiento de hidrógeno.

Los hidruros metálicos se han explorado durante mucho tiempo por su gran potencial de almacenamiento de hidrógeno y su bajo costo. A medida que estos metales entran en contacto con el hidrógeno gaseoso, el hidrógeno se absorbe en la superficie. Una mayor entrada de energía conduce a que los átomos de hidrógeno encuentren su camino hacia las redes cristalinas del metal hasta que el metal se satura con hidrógeno. A partir de ahí, el material puede absorber y desorber hidrógeno en mayores cantidades.

El hidruro de magnesio (MgH2) se ha mostrado inmensamente prometedor para una capacidad superior de almacenamiento de hidrógeno. Sin embargo, se necesita una temperatura alta para que el MgH2 se descomponga y produzca hidrógeno. Además, la compleja migración y desorción de hidrógeno del material, que da como resultado una cinética de deshidrogenación lenta, ha obstaculizado su aplicación comercial.

Durante décadas, los científicos han debatido por qué la deshidrogenación dentro del MgH2 es tan difícil. Pero ahora, el grupo de investigación ha descubierto una respuesta.

Usando cálculos basados ​​en la teoría funcional de densidad polarizada por espín con correcciones de van der Waals, descubrieron un « efecto de explosión » durante la deshidrogenación de MgH2. Las barreras de deshidrogenación iniciales midieron 2,52 y 2,53 eV, mientras que las barreras de reacción posteriores fueron de 0,12 a 1,51 eV.

El grupo llevó a cabo más análisis de enlace con el método de población de orbitales de cristal de Hamilton, donde confirmaron que la fuerza del enlace magnesio-hidruro disminuía a medida que continuaba el proceso de deshidrogenación.

« La migración de hidrógeno y la desorción de hidrógeno son mucho más fáciles después del efecto de explosión inicial », señala Hao Li, profesor asociado del Instituto Avanzado para la Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku (WPI-AIMR) y autor correspondiente del artículo. « Los ajustes de ingeniería estructural que promueven este proceso de desorción podrían ser la clave para facilitar la desorción de hidrógeno de MgH2 ».

Li y sus colegas demostraron que las vacantes de hidrógeno mantuvieron un alto grado de localización electrónica cuando existe la primera capa de hidrógeno atómico. Los análisis de las características cinéticas del MgH2 después de la deshidrogenación superficial, realizados mediante simulaciones de dinámica molecular ab initio, también proporcionaron pruebas adicionales.

« Nuestros hallazgos proporcionan una base teórica para la cinética de deshidrogenación de MgH2, proporcionando pautas importantes para modificar los materiales de almacenamiento de hidrógeno basados ​​en MgH2 », agrega Li.