Il setaccio molecolare dell'idruro di manganese per lo stoccaggio pratico dell'idrogeno potrebbe costare circa 5 volte meno dei serbatoi da 700 bar

Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un setaccio molecolare di idruro di manganese che può essere facilmente sintetizzato da precursori economici e dimostra prestazioni di adsorbimento in eccesso reversibile del 10,5% in peso e 197 kgH2m-3 a 120 bar a temperatura ambiente senza perdita di attività dopo 54 cicli .

Il team prevede che stime ragionevoli dei costi di produzione e della perdita di prestazioni dovute all’implementazione del sistema si traducono in costi totali di stoccaggio dell’energia circa 5 volte più economici di quelli per i serbatoi da 700 bar, aprendo potenzialmente le porte a una maggiore adozione dell’idrogeno come vettore energetico. Un documento ad accesso libero sul loro lavoro è pubblicato sulla rivista RSC Energy & Environmental Science.

Per garantire la futura accettazione da parte del mercato dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno o dei dispositivi portatili, è ancora necessario sviluppare un sistema di stoccaggio dell'idrogeno efficiente, a basso costo e pratico e un'infrastruttura adatta a tutte le applicazioni. Per raggiungere un'autonomia superiore a 500 km in un veicolo a celle a combustibile, sono necessari circa 5 kg di idrogeno. Nelle costose bombole di gas idrogeno non conformabili da 700 bar in fibra di carbonio, utilizzate negli odierni veicoli a idrogeno di prima generazione, 5 kg di idrogeno occupano un volume di circa 125 litri, ponendo così vincoli indesiderati alla progettazione dell'automobile.

Un sistema di stoccaggio dell’idrogeno basato su materiali offre la possibilità di immagazzinare idrogeno a pressioni più basse con requisiti di gestione termica semplificati che possono ridurre la complessità e i costi sia del sistema di bordo che dell’infrastruttura. Sebbene alcuni idruri metallici si avvicinino ai livelli prestazionali pratici, i problemi con la gestione del calore ne ostacolano ancora le applicazioni.

… Quindi, per facilitare l’implementazione ad ampio raggio dei dispositivi a celle a combustibile, è necessario un materiale che possieda elevate capacità di stoccaggio gravimetrico e volumetrico in condizioni ambientali, che sia economico da produrre e non richieda un’ampia gestione del calore per il rifornimento. Un materiale di questo tipo potrebbe anche rappresentare una possibile alternativa alle batterie al litio nei dispositivi portatili, dove l’aumento dei costi e la domanda di stoccaggio dell’energia rappresentano una preoccupazione.

Qui presentiamo un setaccio molecolare di idruro di manganese (KMH-1 = Kubas Manganese Hydride - 1) che può essere preparato in pochi semplici passaggi da precursori poco costosi e possiede prestazioni di stoccaggio dell'idrogeno che, anche quando si prendono in considerazione le stime sull'implementazione del sistema, possono essere sufficiente per soddisfare o superare gli obiettivi finali del sistema del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) del 6,5% in peso e 50 kgH2/m3 per 5 kg di idrogeno.

Rappresentazione schematica della formazione della nanostruttura KMH-1 mediante un meccanismo di modellamento micellare inverso previsto dall'autoassemblaggio in un mezzo non polare. Skipper et al.

In un articolo del 2012 (Skipper et al.), i ricercatori hanno notato che:

… un’entalpia di legame dell’idrogeno-materiale di stoccaggio compresa tra 20 e 30 kJ mol−1 fornirebbe il miglior equilibrio tra la capacità di stoccaggio e l’energia richiesta per rilasciare l’idrogeno. Per ottenere un'entalpia in questo intervallo si possono incorporare metalli nei materiali di accumulo, ai quali l'H2 può legarsi in modo Kubas.

Un'interazione Kubas è coerente con un allungamento del legame H – H senza rottura e comporta la donazione σ dall'orbitale di legame σ H – H pieno in un orbitale d vuoto di un metallo e la donazione simultanea π-back da un orbitale pieno orbitale d del metallo nell’orbitale anti-legame vacante σ* della molecola di H2.

Questo è simile al legame sinergico descritto dal modello Dewar-Chatt-Duncanson per l'interazione, ad esempio, della CO con i metalli di transizione. La fabbricazione di materiali allo stato solido che utilizzano l'interazione Kubas per immagazzinare idrogeno è una grande sfida perché è difficile sintetizzare un materiale che abbia sia un'alta concentrazione di siti di legame a bassa valenza che a basse coordinate (i metalli di transizione allo stato solido preferiscono essere 6-coordinate nella maggior parte dei casi), peso leggero e porosità sufficiente per consentire all'idrogeno di diffondersi attraverso la struttura.

I ricercatori hanno utilizzato siti di legame Kubas appositamente adattati in una rete amorfa e porosa di idruro di manganese che agisce come un proprio dissipatore di calore intrinseco su scala nanometrica, rendendo i requisiti di gestione del calore esterno molto limitati o forse addirittura inutili.