Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior şi a Cercetării Ştiinţifice Universitare (UEFISCSU)

Dezvoltarea unui sistem de stocare a hidrogenului, sigur, mobil si eficient din punct de vedere al costului reprezinta o solutie pentru asa-numita economie a hidrogenului. Spre deosebire de benzina, hidrogenul este gazos la temperatura camerei si difuzeaza prin invelisul recipientului datorita dimensiunii reduse a moleculei, fapt care face dificila stocarea sa. Tehnologile de stocare cum ar fi recipientii de inalta presiune sau sistemele de stocare a hidrogenului lichid sunt bine dezvoltate dar, insa prezinta neajunsuri inacceptabile privind densitatea de energie, costurile, complexitatea, siguranta, fiabilitatea si timpul de realimentare. Pe langa aceste sisteme traditionale de stocare a hidrogenului, exista un interes crescut pentru alte tipuri de stocare, cum ar fi materiale specifice solide unde hidrogenul interactioneaza si se leaga de suprafata retelei moleculare. In ultima decade, o serie de cercetari au fost indreptate spre dezvoltarea unui material adecvat pentru acest tip de stocare a hidrogenului; in orice caz, un material corespunzator pentru stocarea hidrogenului inca nu a fost gasit. O caracteristica a materialului care joaca un rol important in comportamentul de stocare a hidrogenului este entalpia de adsorbtie. Desi carbonul activat prezinta o entalpie de adsorbtie foarte mica (aproximativ 6 kJ/mol), corespunzatoare unui proces de adsorbtie fizica si unor legaturi rezultante slabe ale moleculelor de hidrogen la suprafata adsorbantilor de tip carbonic, hidrurile metalice prezinta valori ale entalpiei de adsorbtie relativ mari (pentru materialele clasice aproximetiv 80 kJ/mol), rezultand legaturi foarte puternice intre hidrogen si metal. In consecinta, in cazul adsorbtiei fizice, sunt necesare temperaturi foarte scazute si presiuni inalte pentru a stoca o cantitate acceptabila de hidrogen; pe de alta parte, in cazul chemosorptiei pe hidrurile metalice, este necesara o anumita cantitate de energie pentru a rupe legaturile puternice dintre metal si hidrogen, diminuand eficienta totala a acestei optiuni.

 

Materialele carbonice prezinta avantajul facilitatii de a putea fi ajustate din punct de vedere al proprietatilor structurale si chimice si, in plus, ele au o greutate scazuta in comparatie cu hidrurile traditionale. Astfel, un posibil material pentru stocarea hidrogenului poate fi un material hibrid care poate combina avantajele materialelor carbonice si metalice, minimizand dezavantajele celor doua cand sunt folosite separat. Aceste materiale ar putea avea o entalpie de adsorbtie fizica intre 6 - 80 kJ/mol, greutate scazuta si o structura poroasa ajustata pentru sporirea capacitatii de stocare.

 

Astfel, carbonul nanostructurat dopat si structurile metalice usoare inedite, luate in considerare in prezenta propunere de proiect (acronim: HISTOMAT), sunt candidati promitatori pentru a umple lacunele dintre adsorbtia fizica si chemosorbtia pe hidrurile metalice.

Proprietatile texturale ale unei varietati largi de materiale carbonice s-au dovedit a fi cheia maximizarii capacitatii de stocare a hidrogenului in aceste materiale solide^[1]. In orice caz, se pare ca dezvoltarea doar a proprietatilor texturale nu va fi suficienta pentru producerea capacitatilor de adsorbtie necesare (> 8% procente masice). Oricum, a fost propusa ca solutie pentru a atinge obiectivele stabilite de 8% procente masice, pentru capacitatile de stocare a hidrogenului, combinarea proprietatilor texturale adecvate cu cele chimice apropiate ale suprafetei^[2], incluzand prezenta metalului si/sau oxizilor metalici^[3,4]. Mecanismul pentru aceasta crestere in capacitatea de adsorbtie a fost determinat a fi cel de “distributie” a hidrogenului. “Distributia” hidrogenului este un proces prin care atomii sunt produsi prin chemosorptie disociativa a moleculei de hidrogen pe un metal, urmata de difuzia in interiorul suportului poros de carbon. Hidrogenul “distribuit” se leaga la suprafata nesaturata a suportului si produce un strat de atomi de hidrogeni mobili slab legati. Studiile teoretice referitoare la adsorbtia atomilor de hidrogen pe grafit confirma ca stocarea hidrogenului urmeaza un mecanism de disociere si distributie a moleculelor de hidrogen care ulterior conduce la adsorbtie. Se preconizeaza ca prin disocierea si adsorbtia hidrogenului in diferite zone ale carbonului, este posibil sa se ajunga la capacitati de adsorbtie mai mari de 8% (procente masice)^[5]. Suplimentar fata de capacitatea sporita de adsorbtie, studiile de desorbtie la temperatura programata demonstreaza ca eliberarea si incarcarea hidrogenului de pe carbon este posibila intr-un interval de temperatura, de la cea ambianta pana la moderata^[3,4]. Per total, catalizatorul metalic pe suport de carbon este foarte promitator pentru stocarea hidrogenului, avand in vedere potentialul sau de a oferi capacitati mari de adsorbtie, in timp ce se evita necesitatea conditiilor criogenice pentru adsorbtie fizica in materialele carbonice. Intr-o mai mare masura, aceste materiale prezinta avantajul permiterii unei reduceri a temperaturii necesare regenerarii si a eliminarii inconvenientului greutatii mari, in comparatie cu hidrurile metalice.

Obiectivul general al HISTOMAT este acela de a dezvolta materiale solide noi pentru stocarea hidrogenului, care pot sa conduca la un sistem de stocare eficient din punct de vedere al costului, sigur si confortabil cu posibile aplicatii de stocare on-board la vehicule. In sensul acestei idei, aplicand o cercetare inovativa in domeniul materialelor carbonice nanostructurate si doparea acestora cu compusi anorganici, va conduce la un material hibrid nanostructurat nou care ar putea sa combine o structura adecvata a porilor (ex. suprafata mare si cantitatea mare de pori ingusti) cu prezenta metalelor care actioneaza pentru a intensifica capacitatea acestor materiale de a stoca hidrogenul. Totodata, pentru areusi optimizarea capacitatii de stocare a materialelor solide, sinteza si o caracterizare materialului studiat trebuie insotita de o intelegere fundamentala a diferitelor fenomene si procese aparute in timpul retinerii si eliberarii hidrogenului, avand totodata in vedere conditiile de operare specifice ale materialelor asa cum sunt definite de aplicatiile lor.

 

Considerand aceste aspecte, au fost propuse pentru proiect urmatoarele obiective S&T:

o              Obtinerea unei serii de materiale solide cu o buna controlabilitate a structurii si chimiei suprafatei, cu capacitate mare de stocare a hidrogenului;

o              Intelegerea fundamentelor si fenomenelor ce se desfasoara la interfata gaz-solid, in special in cazul interactiei hidrogenului cu suportul solid, ce apar in timpul procesului de stocare, in scopul optimizarii procesului de adsorptie-desorptie;

o              Obtinerea unui model teoretic de material, prin simulare pe computer, care sa poata atinge la nivel teoretic pragul de 8% (procente masice) capacitea de stocare, prag fixat de Uniunea Europeana.

 

Pentru a indeplini obiectivele S&T propuse, proiectul realizeaza o cercetare interdisciplinara in disciplinele chimie, fizica, matematica si stiinte ingineresti si implica domenii cum ar fi stiinta materialelor, electrochimie si modelarea matematica. Tinerii cercetatori pregatiti cu astfel de abilitati in timpul proiectului, vor deveni specialisti unici de mare valoare, care vor fi cautati cu preponderenta de comunitatile academice, industriale si comerciale. Considerand acest aspect, s-au evidentiat cateva obiective derivate ale proiectului:

o              Dezvoltarea unor abilitati stiintifice fundamentale suplimentare in cazul cercetatorilor implicati in proiect;

o              Diminuarea fenomenului “brain-drain” si stimularea fenomenului de “brain-gain” prin oferirea de premize viabile pentru cooptarea si integrarea ulterioara a cercetatorilor tineri participanti la proiect, in cadrul unor grupuri de cercetare cu experienta;

o              Cresterea numarului de cercetatori angajati cu norma intreaga prin finantarea studiilor doctorale prin proiect;

Cresterea vizibilitatii internationale a cercetarii romanesti in domeniu, prin diseminarea pe scara larga a rezultatelor proiectului.

 

Etapa 1. Decembrie 2007 - Studii si cercetari privind procesarea si analiza nanostructurilor adsorbante

Etapa 2. Octombrie 2008 - Obtinerea si caracterizarea materialelor nanostructurate adsorbante din carbon si metal sintetic. Raport Sinteza; Prezentare Rezultate S&T; Articol ISI_JOAM vol10 no11_2008; Articol ISI_OAM-RC vol2 no11_2008; ISI_Rev Chem_vol60_2009

Etapa 3. Octombrie 2009 - Obtinerea si caracterizarilor nanomaterialelor dopate cu metal

Etapa 4. Octombrie 2010 - Demonstrarea functionalitatii materialelor adsorbante obtinute