Varför kokosnötter kan vara framtidens vätelagringsmaterial

Väte är ett potentiellt förnybart bränsle eftersom det lätt kan genereras från vatten med hjälp av elektrolys. Det brinner också rent för att producera vattenånga. Förhoppningen är att den också skulle kunna distribueras med samma globala nätverk av flytande bränsletransporter som flyttar bensin runt jorden.

Men det finns många problem med denna dröm om en vätebaserad ekonomi. En är att väte är svårt att lagra effektivt. Vätgas har en dålig energitäthet i volym jämfört med bensin. Faktum är att det är minst 60 procent mer väte i en liter bensin än det finns i en liter rent flytande väte. Med andra ord kommer väte alltid att kräva större tankar.

Så att hitta sätt att lagra mer av det är en stor utmaning. Ett alternativ är att lagra det som en vätska men väte kokar temperaturer över -250 °C och kräver därför skrymmande isolering för att hålla det i detta tillstånd.

En annan idé är att komprimera den. Men detta väcker frågor om säkerhet om en vätgasdriven bil skulle vara inblandad i en kollision.

Det är därför mycket av den materialvetenskapliga forskningen inom detta område har fokuserat på kemisk lagring: att hitta material som adsorberar väte effektivt och sedan släpper ut det igen när det behövs.

Nu säger Viney Dixit och kompisar vid Hydrogen Energy Center vid Banaras Hindu University i Indien att de har upptäckt att karboniserat kokosnötkött är särskilt bra för denna uppgift. Idag visar de att det överträffar ett antal andra vätelagringsmaterial, särskilt i dess förmåga att fungera under många laddningscykler.

För att hjälpa till att utvärdera material för lagring av väte har det amerikanska energidepartementet satt upp ett antal mål som dessa material måste uppfylla för att anses vara hållbara teknologier för framtida transportsystem. Till exempel är de nuvarande kriterierna att ett vätelagringssystem måste lagra minst 5,5 viktprocent väte (5,5 viktprocent).

Detta är massan av hela lagringssystemet och inte bara massan av lagringsmaterialet. Så uppenbarligen måste massandelen av lagringsmaterialet vara betydligt högre.

Materialforskare fokuserade ursprungligen sina ansträngningar på metallhydrider, av vilka några kan lagra väte i högre fraktioner än DoE-kriterierna. Dessa material har emellertid ett antal nackdelar. Först måste de värmas upp för att frigöra vätgas och detta tar energi. Ännu värre, materialen tenderar att fysiskt gå sönder när antalet laddningscykler ökar över 100 eller så.

Så på senare år har forskare riktat sin uppmärksamhet mot kol. Bindningen mellan väte och kol är känd för att vara snabb och reversibel. Dessutom är det relativt enkelt att skapa starkt, poröst kol med stor yta.

Ett sätt att göra detta är att förkolna biologiskt material, som frukt eller kokosnötsskal. Detta innebär att materialet värms upp till några hundra grader i en kväveatmosfär som säkerställer att kolet behåller sin porösa biologiska struktur.

Istället för kokosnötsskal, Dixit och kolsyrat kokosnötkött. De säger att detta har fördelen av att innehålla ett brett utbud av ytterligare element, såsom kalium, natrium, kalcium och magnesium, som är jämnt fördelade i kolmatrisen. Och de säger att detta visar sig vara betydelsefullt i deras experiment.

De här killarna har mätt mängden väte som karboniserat kokosnötkött kan hålla och säger att det kan jämföras bra med mer konventionella material. Det syntetiserade materialet adsorberar 2,30 viktprocent vid rumstemperatur och 8,00 viktprocent vid flytande kväve under 70 atm tryck, säg Dixit och co.

Dessutom frigör materialet väte snabbt och effektivt och verkar inte brytas ned under många laddningscykler.

Om det är tillräckligt bra för att uppfylla DoE:s 5,5 viktprocent-kriterium för ett helt lagringssystem har ännu inte setts.

Teamet ägnade lite tid åt att studera mikrostrukturen hos det karboniserade kokosnötköttet för att ta reda på varför det fungerar så bra. Och de har pekat ut två mekanismer.

Den första är att det karboniserade kokosnötköttet innehåller en betydande mängd kaliumklorid, vilket polariserar kolmatrisen i vilken den är inbäddad. Detta kommer att förbättra väteadsorptionskapaciteten, säger de.

Den andra är att kolmatrisen också innehåller betydande mängder magnesium, vilket är känt för att förbättra dissociationen av vätemolekyler, vilket gör dem lättare att adsorbera.

Det är ett intressant resultat som antyder några lovande vägar för framtida forskning. Närvaron av molekyler som katalyserar adsorptionen av väte ser ut att vara en viktig mekanism. Det kan till och med vara möjligt att justera dessa proportioner genom att odla kokosnötter i olika miljöer. En annan möjlighet kan vara att på konstgjord väg syntetisera kol som matchar några av egenskaperna hos karboniserat kokosnötkött.

Hur som helst, materialforskare kan lönsamt hänga sina hängmattor mellan några kokospalmer i framtiden.

Ref: arxiv.org/abs/1409.7219 : Vätgaslagring i kol som härrör från fast endosperm av kokosnöt

Dölj