Wodór od dawna jest postrzegany jako nośnik energii przyszłości. Nim stanie się teraźniejszością energetyki, niezbędne jest jednak opracowanie wydajnych metod jego magazynowania. Optymalnym rozwiązaniem wydają się materiały dobrane w taki sposób, aby przy niewielkich kosztach energetycznych wodór można było najpierw w nie wtłaczać, a następnie odzyskiwać na żądanie, najlepiej w warunkach zbliżonych do typowych dla naszego codziennego środowiska.

Obiecującym kandydatem na magazyn wodoru wydaje się magnez.

Przekształcenie go w wodorek magnezu wymaga jednak użycia odpowiednio wydajnego katalizatora, którego dotychczas nie udało się znaleźć.

Z prac zespołu naukowców ze Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology Empa w Dübendorfie i Wydziału Chemii Uniwersytetu w Zurychu oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie wynika, że przyczyna dotychczasowych, wieloletnich niepowodzeń leżała w niepełnym rozumieniu zjawisk zachodzących w magnezie podczas wtłaczania wodoru.

Główną przeszkodą w upowszechnieniu wodoru jako źródła energii są trudności w jego magazynowaniu. We wciąż rzadko spotykanych samochodach z napędem wodorowym przechowuje się go sprężonego pod ciśnieniem około 700 atmosfer. Nie jest to metoda ani tania, ani najbezpieczniejsza, niewiele ma też wspólnego z efektywnością: w jednym metrze sześciennym znajduje się tu zaledwie 45 kg wodoru.

W tej samej objętości można zmieścić 70 kg wodoru – jeśli wcześniej zostanie on skroplony.

Niestety, proces skraplania wymaga dużych ilości energii, a ekstremalnie niską temperaturę, na poziomie około 20 kelwinów, trzeba później utrzymywać przez cały czas magazynowania. Alternatywą mogłyby być odpowiednie materiały, na przykład wodorek magnezu, w którego metrze sześciennym może się znaleźć nawet 106 kg wodoru.

Wodorek magnezu należy do najprostszych materiałów spośród badanych pod kątem możliwości magazynowania wodoru. Zawartość tego pierwiastka może tu osiągnąć wartość 7.6% (wagowo). Urządzenia z wodorkiem magnezu są więc dość ciężkie i dlatego nadają się głównie do zastosowań stacjonarnych. Ważny jest jednak fakt, że wodorek magnezu jest substancją bardzo bezpieczną i może być bez ryzyka przechowywany na przykład w piwnicy, a sam magnez jest metalem łatwo dostępnym i tanim.

Badania nad wprowadzaniem wodoru do magnezu trwają od dekad, mimo to nie zaowocowały rozwiązaniami mogącymi liczyć na szersze użycie”, mówi prof. dr hab. Zbigniew Łodziana (IFJ PAN), fizyk-teoretyk będący współautorem artykułu w czasopiśmie „Advanced Science”, gdzie zaprezentowano najnowsze odkrycie.

Jednym ze źródeł kłopotów jest sam wodór. Pierwiastek ten potrafi efektywnie wnikać w strukturę krystaliczną magnezu, ale tylko wtedy, gdy występuje w postaci pojedynczych atomów. Żeby je otrzymać z typowego, cząsteczkowego wodoru, niezbędny jest katalizator wystarczająco wydajny, by proces migracji wodoru w materiale był szybki i energetycznie opłacalny. Wszyscy szukali więc katalizatora spełniającego powyższe warunki, niestety bez większych sukcesów. Dziś wreszcie wiemy, dlaczego te próby był skazane na niepowodzenie.

Prof. Łodziana opracował nowy model procesów termodynamicznych i elektronowych zachodzących w magnezie w kontakcie z atomami wodoru. Model przewiduje, że w trakcie migracji atomów wodoru w materiale powstają lokalne, termodynamicznie stabilne klastry wodorku magnezu. Na granicach między metalicznym magnezem a jego wodorkiem dochodzi wówczas do zmian w strukturze elektronowej materiału i to właśnie one mają znaczący udział w redukowaniu mobilności jonów wodoru.

Innymi słowy, o kinetyce formowania się wodorku magnezu decydują przede wszystkim zjawiska na jego granicy z magnezem. Efekt ten dotychczas nie był uwzględniany przy poszukiwaniach wydajnych katalizatorów.

Prace teoretyczne prof. Łodziany są dopełnieniem eksperymentów wykonanych w szwajcarskim laboratorium w Dübendorfie. W komorze ultrawysokiej próżni badano tu migrację atomowego wodoru w warstwie czystego magnezu napylonego na pallad. Aparatura pomiarowa była zdolna rejestrować zmiany stanu kilku zewnętrznych warstw atomowych badanej próbki, spowodowane tworzeniem się nowego związku chemicznego i związanymi z tym transformacjami struktury elektronowej materiału. Model zaproponowany przez badacza z IFJ PAN pozwolił w pełni zrozumieć wyniki doświadczeń.

Osiągnięcia szwajcarsko-polskiej grupy fizyków nie tylko wytyczają ścieżkę nowych poszukiwań optymalnego katalizatora dla wodorku magnezu, ale także tłumaczą, dlaczego niektóre z wcześniej znalezionych katalizatorów wykazywały się większą wydajnością niż oczekiwana.

Wiele wskazuje na to, że brak znaczących postępów w magazynowaniu wodoru w magnezie i jego związkach wynikał po prostu z naszego niepełnego rozumienia procesów zachodzących w tych materiałach w trakcie transportu wodoru. Przez dziesiątki lat wszyscy szukaliśmy lepszych katalizatorów, tyle że nie tam, gdzie powinniśmy szukać. Teraz nowe wyniki teoretyczne i doświadczalne pozwalają znów z optymizmem myśleć o dalszym udoskonalaniu metod wprowadzania wodoru do magnezu, podsumowuje prof. Łodziana.

Po stronie polskiej badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki, po stronie szwajcarskiej przez Swiss National Science Foundation.

Kontakt:

prof. dr hab. Zbigniew Łodziana
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel.: +48 12 662 8267
email: zbigniew.lodziana@ifj.edu.pl

Publikacje naukowe:

„Why Hydrogen Dissociation Catalysts do not Work for Hydrogenation of Magnesium”
S. Kazaz, E. Billeter, F. Longo, A. Borgschulte, Z. Łodziana
Advanced Science, 2304603, 2023
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202304603