Magnez jako magazyn wodoru? Polsko-szwajcarska grupa badaczy dokonała przełomu!

• Magnez w połączeniu z wodorem tworzy wodorek magnezu, który może przechowywać dużą ilość wodoru w stosunkowo małej objętości.
• Wodorek magnezu jest bezpiecznym i tanim materiałem, dzięki czemu może być przechowywany nawet w warunkach domowych.
• Dotychczas jednak wykorzystanie tego związku chemicznego w magazynowaniu wodoru nie było możliwe, jednak odkrycie polsko-szwajcarskiego zespołu badaczy rzuca nowe światło na to rozwiązanie. 

Największym problemem w zakresie wykorzystania wodoru jako nośnika energii jest jego magazynowanie. Dlatego też naukowcy od lat łamią sobie głowy nad kwestią tego, jak efektywnie akumulować ten pierwiastek. Jednym ze starszych pomysłów jest wykorzystanie w tym celu magnezu, jednak do tej pory próby jego wykorzystania kończyły się fiaskiem. Niedawno nastąpił przełom w tej materii, ponieważ szwajcarsko-polski zespół fizyków znalazł odpowiedź na to, dlaczego wcześniejsze starania były nieudane, a w przyszłości w końcu mogą osiągnąć sukces! 

Magazynowanie piętą achillesową wodoru

Wodór od dawna jest określany mianem paliwa przyszłości. Jednak zanim zacznie on być eksploatowany na szeroką skalę, konieczne jest opracowanie wydajnych metod jego magazynowania. Zdaniem badaczy najlepszym wyjściem byłoby wtłaczanie wodoru w odpowiednio dobrane materiały, skąd później mógłby on być odzyskiwany na żądanie. Jednym z takich materiałów może być magnez. W połączeniu z wodorem staje się on wodorkiem magnezu. W metrze sześciennym wodorku magnezu może znaleźć się nawet 106 kg wodoru! Dla porównania, w samochodach wodorowych wodór jest przechowywany w formie sprężonej, a w jednym metrze sześciennym takiego gazu znajduje się jedynie 45 kg wodoru. W tej samej objętości można by zmieścić 70 kg wodoru, jeżeli byłby on w formie skroplonej, której osiągnięcie jest jeszcze trudniejsze niż sprężenie gazu. 

Bezpieczna i tania alternatywa

Dlatego też wodorek magnezu jawi się jako jeden z najprostszych materiałów, który może być wykorzystany do magazynowania wodoru. Urządzenia wykorzystujące ten związek chemiczny są dość ciężkie i dlatego najlepiej sprawdzą się w zastosowaniach stacjonarnych. Raczej nie będzie mógł być wykorzystany np. w pojazdach wodorowych. Jednak dużo ważniejsze jest to, że wodorek magnezu jest substancją bardzo bezpieczną. Może być z powodzeniem przechowywany nawet w piwnicy naszego domu (co może stwarzać okazję do stworzenia domowych magazynów wodorowych). Dodatkowo sam magnez jest metalem łatwo dostępnym i, przede wszystkim, tanim. 

• Zobacz też: Magazyn zielonej energii – rusza punkt informacyjny. Dlaczego?

Jak znaleźć właściwy katalizator?

Jednak wytworzenie wodorku magnezu wymaga użycia odpowiednio wydajnego katalizatora (czyli substancji przyspieszającej reakcję chemiczną). Takiego katalizatora niestety do dzisiaj nie udało się znaleźć. Dlaczego zatem obwieszczamy sukces? Otóż zespół 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 wykazał, że dotychczasowe niepowodzenia miały swoją przyczynę w niepełnym zrozumieniu zjawisk zachodzących w magnezie podczas wtłaczania wodoru. 

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

wyjaśnia prof. dr hab. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Diabeł tkwi w szczegółach 

Profesor Łodziana opracował nowy model procesów termodynamicznych i elektronowych, które zachodzą w magnezie podczas kontaktu z wodorem. Dowodzi on, że w trakcie przemieszczania się atomów wodoru w materiale powstają lokalnie klastry wodorku magnezu. Wtedy na granicy pomiędzy czystym magnezem, a cząstkami wodorku magnezu dochodzi do zmian w strukturze elektronowej materiału. I to właśnie te zmiany mają, według badacza, największy wpływ na wcześniejsze niepowodzenia w zakresie wykorzystania magnezu do magazynowania wodoru. Efekt ten ma duży wpływ na rodzaj katalizatora, który powinien zostać użyty w procesie łączenia się magnezu z wodorem. 

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

konkluduje profesor Łodziana.

Badania profesora Łodziany są dopełnieniem eksperymentów, które przeprowadzili szwajcarscy naukowcy w Dübendorfie. Model stworzony przez polskiego badacza pozwolił w pełni zrozumieć wyniki doświadczeń wykonanych przez Szwajcarów. 

Źródło: Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie