Водород, простейший и наиболее распространенный элемент на Земле, является перспективным энергоносителем для новых технологий экологически чистой энергетики. Водород является энергоносителем, питающим топливные элементы электромобилей, и может использоваться для хранения энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками в периоды низкого спроса.
Основной задачей водородной энергетики является достижение двойной цели высокой плотности хранения и эффективной кинетики высвобождения водорода, когда это необходимо.
Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре пролили новый свет на кинетику выделения водорода или дегидрирования из гидрида алюминия (AlH3), материала, который весьма перспективен для хранения энергии. Их компьютерное моделирование также проливает свет на основные механизмы, управляющие этими химическими реакциями в целом.
«Гидрид алюминия оказывается многообещающим, потому что энергия связи для водорода низка, поэтому скорость высвобождения может быть высокой», - объяснил Крис Ван де Валле, профессор кафедры материалов и руководитель отдела вычислительных материалов. группа в UCSB. «В то же время кинетические барьеры достаточно высоки, чтобы скорость выделения водорода не была слишком высокой».
Drs. Ларс Исмер и Андерсон Джанотти из группы Computational Materials использовали компьютерное моделирование для исследования микроскопических механизмов, управляющих выделением водорода из гидрида алюминия. Они выполнили передовые расчеты из первых принципов, чтобы изучить, как отдельные атомы водорода диффундируют через гидрид алюминия - процесс, который, как они обнаружили, возможен благодаря созданию водородных вакансий. Их выводы были подробно описаны в статье «Дегидрирование AlH3 с помощью механизма кластеризации вакансий», опубликованной в «Журнале физической химии».
Вакансии водорода - это дефекты, играющие важную роль - они обеспечивают диффузию. Если бы каждый атом был на месте, ни один из атомов не смог бы двигаться. Если атом водорода отсутствует, соседний атом водорода может перепрыгнуть на эту вакансию, тем самым обеспечивая движение водорода через материал.
Затем группа извлекла ключевые параметры из этих очень сложных расчетов и использовала их в кинетическом моделировании Монте-Карло, направленном на моделирование того, как высвобождается водород, оставляя после себя кластеры атомов алюминия.
«Этот многомасштабный подход позволяет нам использовать высокоточную информацию, полученную в расчетах из первых принципов, и использовать ее для моделирования реалистичных размеров системы и временных масштабов», - сказал Исмер. «Мы можем отслеживать зарождение и рост алюминиевой фазы, а также скорость выделения водорода».
Важная особенность моделирования заключается в том, что оно позволило исследователям определить механизм ограничения скорости, которым оказался процесс диффузии. Первоначально казалось, что этот результат противоречит выводам исследований, использующих традиционную интерпретацию наблюдаемого S-образного начала кривых дегидрирования, которая исключает диффузию как фактор, ограничивающий скорость. Тем не менее, моделирование группы UCSB дало кривые реакции, согласующиеся с измерениями, при этом ясно указав, что реакция ограничивается диффузией точечных дефектов.
«Эти концепции выходят за рамки конкретного применения к материалам для хранения водорода», - сказал Ван де Валле. «Более широкий урок здесь заключается в том, что следует проявлять осторожность, делая выводы, основанные исключительно на форме кривых реакции. Эти простые эмпирические правила были разработаны еще в 1930-х годах, когда эксперименты были менее сложными, а вычислительные исследования были неслыханными. Наша настоящая работа настоятельно предлагает пересмотреть традиционные предположения, основанные на форме кривых реакции».
Группа вычислительных материалов профессора Ван де Валле связана с Департаментом материалов и Инженерным колледжем Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Группа исследует материалы для хранения и генерации водорода, сложные оксиды, нитридные полупроводники, новые материалы для каналов и диэлектрики, а также материалы для квантовых вычислений..