Materiales avanzados de almacenamiento de hidrógeno a base de magnesio y sus aplicaciones

17.08.2023 - China

Como vector energético, el hidrógeno presenta las destacadas ventajas de su alta densidad gravimétrica de energía, su gran abundancia y sus cero emisiones. Sin embargo, su almacenamiento y transporte efectivos siguen siendo un problema que dificulta la generalización de las aplicaciones de la energía del hidrógeno. Para resolver este problema, en las últimas décadas se han desarrollado e investigado minuciosamente distintos tipos de materiales de almacenamiento de hidrógeno. Entre ellos, el hidruro de magnesio (_MgH2) ha sido considerado como uno de los materiales de almacenamiento de hidrógeno más prometedores debido a su alta capacidad, excelente reversibilidad, suficientes reservas de magnesio y bajo coste. Sin embargo, las deficientes propiedades termodinámicas y cinéticas del _MgH2 limitan sus aplicaciones prácticas (la entalpía de desorción del hidrógeno es de 74,7 kJ ^mol-1 _H2 y la barrera energética de desorción es de unos 160 kJ ^mol-1 _H2). Se han propuesto y aplicado estrategias de aleación, catalización y nanoestructuración para superar los inconvenientes mencionados. Entre estas estrategias, la introducción de catalizadores puede cambiar la configuración electrónica local del _Mg/MgH2 y reducir la barrera energética para la disociación/recombinación del _H2. Los materiales nanoestructurados a base de Mg poseen las ventajas de acortar la vía de difusión y aumentar el área de reacción superficial, por lo que la velocidad de absorción y desorción del hidrógeno puede acelerarse significativamente. La idea de diseñar materiales de almacenamiento de hidrógeno nanoestructurados a base de Mg en forma de concha tiene como objetivo sinergizar los puntos fuertes de los dos métodos de modificación mencionados. Gracias a esta estrategia, pueden construirse y optimizarse materiales avanzados de Mg con nanoestructuras de concha central, que resultan prometedores para aplicaciones móviles y estacionarias.

El equipo del profesor Jianxin Zou, de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, ha publicado en la revista Química Industrial y Materiales que se centra principalmente en los métodos de preparación, las microestructuras, las propiedades y los mecanismos relacionados. El objetivo es señalar los principios de diseño y las futuras tendencias de investigación de los materiales de almacenamiento de hidrógeno basados en Mg para aplicaciones industriales.

Los materiales de almacenamiento de hidrógeno nanoestructurados con núcleo de Mg muestran una excelente cinética de absorción y desorción de hidrógeno, así como un buen rendimiento a largo plazo. Además, esta estructura única confiere a los materiales compuestos algunas propiedades únicas, por ejemplo, capacidad de oxidación anti-aire, rápida tasa de hidrólisis, etc. Teniendo en cuenta lo anterior, el grupo de Zou sugiere una visión brillante para el uso de materiales de almacenamiento de hidrógeno basados en Mg nanoestructurado en el futuro. El hidrógeno ecológico puede obtenerse por electrólisis del agua utilizando electricidad generada a partir de fuentes renovables, como la energía solar y la eólica, y el hidrógeno se reserva en un depósito de almacenamiento de hidrógeno sólido a base de Mg. Los materiales nanoestructurados a base de Mg pueden absorber y desorber hidrógeno a una temperatura relativamente baja, lo que reduce significativamente el consumo de energía durante el almacenamiento y la liberación del hidrógeno. El sistema de almacenamiento, que produce hidrógeno por pirólisis o hidrólisis, podría suministrar hidrógeno a pilas de combustible para la generación de electricidad, energía de reserva portátil a pequeña escala, uso industrial, etc. Recientemente, se ha presentado oficialmente un remolque de almacenamiento y transpiración de hidrógeno en estado sólido basado en Mg (MH-100T) equipado con 12 tanques de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido y 14,4 toneladas de gránulos de aleación porosa a granel basada en Mg-Ni, que abre una nueva era para el almacenamiento y el transporte de hidrógeno en estado sólido. En el futuro, los materiales nanoestructurados con núcleo de Mg, con mejores propiedades de sorción del hidrógeno, como la reducción de la temperatura de desorción del hidrógeno, una mayor velocidad de sorción y una mayor capacidad de almacenamiento, podrán aplicarse para mejorar aún más las prestaciones de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno basados en Mg y ampliar sus campos de aplicación en la industria del hidrógeno.

Los sistemas de almacenamiento de hidrógeno basados en Mg han atraído mucha atención por sus posibles aplicaciones como portadores de hidrógeno debido a sus altas densidades de almacenamiento de hidrógeno, su buen rendimiento cíclico y la gran abundancia de Mg en la Tierra. La reducción de la temperatura de desorción del hidrógeno hasta un rango compatible con el calor de escape de una pila de combustible (aproximadamente entre 60 y 150 ^oC) es probablemente el objetivo más importante de la investigación sobre materiales nanoestructurados de almacenamiento de hidrógeno en la actualidad. Sin embargo, el mayor reto sigue siendo la incapacidad actual para controlar simultáneamente la cinética, la termodinámica y el rendimiento cíclico de forma sencilla y eficiente. Numerosas investigaciones experimentales y teóricas han demostrado la relación existente entre las estructuras core-shell y la mejora de las propiedades de sorción de hidrógeno del _Mg/MgH2. Es especialmente importante encontrar los parámetros óptimos de procesamiento y las rutas técnicas para sintetizar nanopartículas avanzadas de _Mg/MgH2 nanoestructuradas en forma de concha con tamaños más pequeños y mejores conchas catalíticas para mejorar sus propiedades de almacenamiento de hidrógeno y equilibrar los beneficios y los costes con el fin de satisfacer los requisitos de las aplicaciones industriales. Además, es necesario desarrollar en el futuro nuevos principios de diseño para diferentes materiales nanoestructurados específicos de almacenamiento de hidrógeno, por ejemplo, el control preciso del efecto catalítico en la red de _Mg/MgH2 a nivel atómico, la composición y la optimización estructural mediante la metodología de ingeniería del genoma de materiales, etc.

"En esta revisión, nos gustaría proporcionar a los lectores las últimas investigaciones y desarrollos de materiales avanzados de almacenamiento de hidrógeno basados en Mg y sus perspectivas de futuro en el campo de la energía del hidrógeno", dijo Zou.

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