Het gebruik van waterstof als autobrandstof of voor vliegtuigen wordt nu eindelijk echt interessant door een spectaculaire ontdekking.
Calciumdruiven aan koolstofranken
Een netwerk van met calcium ‘gedecoreerd’ carbyn is in potentie in staat zoveel waterstof op te slaan dat het ruim voldoet aan Amerikaanse normen om als “groene” alternatieve energiebron voor voertuigen te dienen, ontdekten onderzoekers van Rice University, een universiteit in de Texaanse stad Houston.
Nanomaterialen gebruiken als middel om energie op te slaan is de laatste jaren in hoog tempo populairder geworden. Geen wonder. De mogelijkheden blijken ongekend. Onder andere nanobuisjes en nanolinten worden onderzocht. Maar ze denken niet klein genoeg, toont nieuw onderzoek van theoretisch natuurkundige Yakobson aan. Boris Yakobson, hoogleraar materiaalkunde, werktuigbouwkunde en scheikunde aan Rice, is de auteur van een artikel in Nano Letters. Vergeleken met carbyn zijn nanobuisjes veel te log. Carbyn is in feite een koolstofketen die als het ware van grafeen af is getrokken, als een wollen draad uit een trui. Dunner dan een draad van één atoom dik kan niet, aldus Yakobson.Vandaar dat het nieuwe materiaal opmerkelijke eigenschappen heeft.
Opslag bij kamertemperatuur
Carbyn is een exotisch materiaal, zo heeft elk koolstofatoom in carbyn meerdere vrije elektronen wat het extreem reactief maakt. Recente experimenten laten echter zien dat het kan worden vervaardigd en gestabiliseerd bij kamertemperatuur, de temperatuur waarbij opslag het interessantst is. Uiterst belangrijk, want andere nanomaterialen als koolstofnanobuisjes, buckyballs en grafeen zijn alleen effectief voor de opslag van waterstof bij zeer lage temperaturen – wat toepassing in bijvoorbeeld auto’s veel lastiger maakt.
Het calcium dient als ‘lokaas’ voor de waterstofmoleculen en maakt opslag bij kamertemperatuur mogelijk voor carbyn. Carbyn heeft veel weg van een tralienetwerk en kan in theorie ongeveer vijftig procent van zijn gewicht in waterstof opslaan, ver boven de 6,5 % die het Amerikaanse ministerie van Energie tot doel heeft gezet voor 2015. Deze ‘zwakke’ binding werkt echter alleen bij zeer lage temperaturen, aldus Yakobson. Althans: zonder calcium. Calcium geeft de absorptie van waterstof zoveel bindingsenergie (0,2 eV, dit is ongeveer de bindingsenergie waarmee watermoleculen aan elkaar zitten) dat deze ook bij kamertemperatuur nog plaatsvindt. Calciumatomen gaan niet op een kluitje op elkaar zitten, dus kunnen ze als druiven op een wijnrank aan de carbynketen hangen. Elk calciumatoom kan tot zes waterstofatomen binden. Dit zou het netwerk rond de acht procent van zijn gewicht in waterstof op kunnen laten staan. Iets boven de 6,5% die als drempelwaarde wordt gezien. Dit kan door de luchtige structuur van carbyn, waardoor er meer ruimte is voor waterstofatomen in de lege ruimte tussen de ketens.
Hoe kan dit materiaal worden vervaardigd?
Yakobson en zijn collega’s hebben verschillende methoden bedacht. In één configuratie, die veel weg heeft van metaal-organische frames, wordt een diamantachtig rooster vervaardigd. Zo kunnen ongeveer vijf waterstofatomen per calciumatoom worden geabsorbeerd. Het aantal koolstofatomen in elke tak zou de totale capaciteit bepalen. In een andere methode stelden ze voor met calcium ‘versierde’ koolstofketens van grafeen te trekken, wat zou kunnen dienen als raamwerk.
Volgens Yakobson is nog niet zeker welke vorm gaat werken en welke vorm deze in gaat nemen. Hij denkt dat het met enig geluk mogelijk is dat in drie tot vijf jaar dit concept productierijp is. Dus wie weet zullen we over vijf tot tien jaar rondrijden met een tank gevuld met calcium nanodruiventrossen, badend in waterstof…
Bron:
Carbon ‘grapevine’ may store hydrogen, Physorg (2011)
Calcium-Decorated Carbyne Networks as Hydrogen Storage Media, Nano Lett., 2011
Carbon ‘grapevine’ may store hydrogen -Rice University lab shows potential of calcium/carbyne lattice to power vehicles, Rice University (2011)