Waterstofopslag is essentieel voor de verdere ontwikkeling van waterstof als schone energiebron, met toepassingen in verschillende sectoren, van transport tot energieopwekking. De ontwikkelingen op dit gebied zijn veelbelovend en omvatten diverse materialen en technologieën die de opslagcapaciteit en veiligheid van waterstof kunnen verbeteren. Dit artikel onderzoekt enkele van de recente innovaties in waterstofopslag, zoals magnesium-gebaseerde opslagmaterialen, complexe hydriden, ammoniak-boranen en fysische adsorptiematerialen.

Magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen hebben de voordelen van een hoge volumetrische opslagdichtheid, lage werkdruk en goede veiligheid, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen waarbij de veiligheid een cruciale rol speelt. Deze materialen kunnen aanzienlijk ruimte besparen, wat vooral nuttig is voor systemen met strikte veiligheidsvereisten, zoals de brandstofcel-energiesystemen voor gebouwen, parken of woningen, evenals voor noodstroomvoorzieningen en gedistribueerde waterstofopslagsystemen. Het gebruik van magnesiumverbindingen biedt dus een oplossing voor de groeiende vraag naar efficiënte en veilige opslagcapaciteit in krappe ruimtes.

Een andere veelbelovende technologie in de waterstofopslag is de ontwikkeling van vaste oplossinglegeringen. Deze legeringen bestaan uit één of meer waterstofabsorberende metalen die oplossen in een ander metaal, wat resulteert in een verbeterde opslagcapaciteit. De Ti0,32Cr0,43V0,25 legering, bijvoorbeeld, heeft een reversibele capaciteit van 2,3 gewichtspercent waterstof, met een uitstekende cyclustabiliteit. Dit betekent dat na 1000 cycli van waterstofabsorptie en -desorptie, de opslagcapaciteit nauwelijks vermindert. Hoewel solid-state waterstofopslagtechnologie zich nog in de ontwikkelingsfase bevindt, biedt het potentieel voor toekomstige toepassingen in verschillende opslag- en transportscenario's.

Complexe hydriden vormen ook een belangrijke categorie in de waterstofopslagtechnologie. Deze verbindingen, waaronder metaalaluminohydriden en boranhydriden, hebben theoretische opslagdichtheden die aanzienlijk hoger zijn dan veel andere materialen. Lithiumborohydride (LiBH4), bijvoorbeeld, heeft een theoretische waterstofopslagcapaciteit van 18,4 gewichtspercent. Het vrijkomen van waterstof uit deze verbindingen is echter complex en vereist meestal hoge temperaturen en meerdere stappen, wat de snelheid van de waterstofafgifte vertraagt en de cyclusstabiliteit beïnvloedt. Om deze problemen aan te pakken, worden verschillende benaderingen onderzocht, zoals thermodynamische en kinetische regulering en het gebruik van nanotechnologie om de prestaties van deze materialen te verbeteren.

Ammoniak-boranen (NH3BH3) zijn een ander type chemische verbinding dat veelbelovend is voor waterstofopslag, met een theoretische waterstofinhoud van maar liefst 19,6 gewichtspercent. De waterstofafgifte uit ammoniak-boranen kan op twee manieren plaatsvinden: hydrolyse of thermische afgifte. De thermische afbraak van ammoniak-boranen vereist echter hoge temperaturen en kan ethylborane en andere bijproducten genereren, wat de efficiëntie van het proces vermindert. Hoewel de hydrolyse langzaam verloopt zonder katalysator, is de keuze van de juiste katalysator cruciaal voor het verbeteren van de afgiftesnelheid en het algehele rendement van de reactie.

Naast chemische materialen worden ook fysische adsorptiematerialen onderzocht voor waterstofopslag. Fysische adsorptie maakt gebruik van van der Waals-krachten om waterstofmoleculen aan een materiaal te binden. Deze technologie werkt het beste bij lage temperaturen, bijvoorbeeld rond de kooktemperatuur van vloeibare stikstof, en biedt een alternatief voor chemische opslagmethoden. Het belangrijkste voordeel van fysische adsorptie is de eenvoud van het proces, maar het nadeel is de relatief lage opslagdichtheid bij kamertemperatuur, wat de praktische toepasbaarheid van deze technologie in veel situaties beperkt.

Bij de verdere ontwikkeling van waterstofopslagtechnologieën moeten de veiligheid, kosten en efficiëntie altijd in balans worden gehouden. Elk opslagmateriaal heeft zijn eigen voor- en nadelen, en de keuze voor een specifiek materiaal hangt af van de toepassing en de specifieke eisen van het systeem waarin het wordt gebruikt. Het is daarom essentieel dat onderzoekers blijven zoeken naar manieren om de opslagcapaciteit te verbeteren, de kosten te verlagen en de veiligheid van deze technologieën te waarborgen.

Het is belangrijk te begrijpen dat hoewel veel van deze technologieën veelbelovend zijn, de commerciële implementatie vaak te maken heeft met uitdagingen zoals hoge kosten, lange afgifttijden en beperkte cyclusstabiliteit. De doorbraak in waterstofopslag kan echter snel volgen door voortdurende vooruitgang in materialenwetenschap, nanotechnologie en katalysatorontwikkeling. De keuze voor de juiste opslagtechnologie zal uiteindelijk afhangen van de specifieke eisen van de industrie, variërend van grootschalige energieopslag tot toepassingen in transport en noodstroomvoorzieningen.

Hoe wordt de isolatie van vloeibare waterstofopslagtanks geoptimaliseerd?

Vloeibare waterstofopslagtanks zijn cruciaal voor de opslag en het transport van vloeibare waterstof in cryogene omstandigheden. Het ontwerp van zo'n tank vereist de integratie van verschillende componenten, zoals de binnenliner, de externe tank, de ondersteuningsstructuur en isolatiemateriaal, om de temperatuur van de vloeibare waterstof op een extreem laag niveau te houden. De binnenliner heeft als functie om de vloeibare waterstof en het verdampte gas vast te houden, terwijl de buitenste tank zorgt voor een vacuümomgeving die de binnenliner beschermt. Tussen de binnenliner en de buitenste tank bevindt zich een vacuümlaag, die moet worden gevuld met isolatiemateriaal om thermische overdracht te minimaliseren.

De materialen die in de tankstructuur worden gebruikt, moeten bestand zijn tegen de extreme kou van vloeibare waterstof en de mogelijkheid van waterstofgeleiding moet tot een minimum worden beperkt. De binnenliner en de leidingen die in contact komen met de vloeibare waterstof moeten worden vervaardigd uit materialen die bestand zijn tegen lage temperaturen en waterstofbrosheid, zoals austenitisch roestvrij staal. Ook de lasverbindingen tussen de onderdelen moeten zeer strak zijn, aangezien waterstofmoleculen erg vatbaar zijn voor lekkage. Dit kan de vacuümlaag verminderen, wat de isolatieprestaties nadelig beïnvloedt.

Bij het ontwerpen van tanks voor vloeibare waterstof is het ook essentieel rekening te houden met de thermische uitzettingscoëfficiënt van materialen. De binnenliner en de leidingen in de interlaag worden meestal bij kamertemperatuur geproduceerd, maar de krimp die optreedt door de scherpe temperatuurval tijdens de werking moet zorgvuldig in de ontwerpstructuur worden opgenomen.

Naast de structurele componenten van de tank zijn er ook verschillende leidingen en accessoires die essentieel zijn voor het gebruik van de tank. De leidingen voor het vullen, het afvoeren van vloeistof en het terugvoeren van gas zijn ontworpen met een vacuümjack om het effect van de extreme kou te verminderen. Dit zorgt ervoor dat er geen verlies van warmte of andere ongewenste thermische effecten optreden.

De keuze van isolatiematerialen speelt een sleutelrol in de effectiviteit van vloeibare waterstofopslagtanks. Er zijn verschillende methoden van isolatie die op verschillende manieren bijdragen aan het behoud van de extreem lage temperaturen die nodig zijn voor de opslag van vloeibare waterstof. Deze isolatiemethoden omvatten gestapelde isolatie, laagvacuüm isolatie, hoogvacuüm multilaags isolatie en hoogvacuüm multi-screen isolatie.

Gestapelde isolatie is de goedkoopste oplossing en omvat materialen zoals perliet (parelzand), schuimplastic of polystyreen, die een lage thermische geleidbaarheid hebben. Deze materialen zorgen voor een bepaalde mate van isolatie, maar ze creëren geen vacuüm en zijn minder effectief in het voorkomen van thermische overdracht. Desondanks is gestapelde isolatie een populaire keuze voor grote tanks, vooral bij projecten waar kosten een belangrijke rol spelen.

Laagvacuüm isolatie verbetert de gestapelde isolatie door het interlaag te vullen met poeder of vezels die worden gepompt en in een laag vacuüm worden gehouden. Deze aanpak kan convectieve warmteoverdracht elimineren en de werkelijke thermische geleidbaarheid aanzienlijk verminderen. Daarnaast kunnen reflecterende materialen worden toegevoegd om stralingswarmte uit te schakelen.

Hoogvacuüm multilaags isolatie is een veelgebruikte techniek die bestaat uit meerdere lagen van reflecterende schermen en tussenliggende materialen. Deze lagen zorgen ervoor dat de stralingswarmte in verschillende fasen wordt afgebogen, zodat slechts een klein deel ervan de buitenwand van de tank bereikt. Dit is een van de meest effectieve isolatiemethoden voor vloeibare waterstofopslagtanks en wordt veelvuldig gebruikt in toepassingen waarbij de prestaties en efficiëntie van de isolatie van groot belang zijn.

In de laatste jaren heeft vacuumglas-microsferen de belangstelling getrokken als een isolatiemateriaal voor cryogene tanks. Dit materiaal, dat bestaat uit glazen bolletjes met een diameter kleiner dan 0,001 mm, biedt uitstekende thermische isolatie dankzij het vacuüm binnenin. NASA heeft dit materiaal getest en ontdekt dat het de prestaties van vloeibare waterstofopslagtanks aanzienlijk verbetert, doordat de gemiddelde verdampingssnelheid van tanks die dit materiaal gebruiken met 46% wordt verminderd. De technologische vooruitgang in dit veld heeft geleid tot de ontwikkeling van de grootste vloeibare waterstofopslagtank ter wereld, die in 2022 werd voltooid en gebruik maakte van vacuümglas-microsferen voor isolatie.

De technologie van vloeibare waterstofopslagtanks ontwikkelt zich snel, met innovaties die de prestaties van deze systemen verder verbeteren. Het is van groot belang dat ingenieurs en ontwerpers op de hoogte blijven van de nieuwste technieken en materialen die beschikbaar zijn om de efficiëntie, veiligheid en kosten van deze tanks te optimaliseren. Dit omvat niet alleen de keuze van isolatiemateriaal, maar ook de methoden voor het minimaliseren van waterstoflekkage, het versterken van lasverbindingen en het zorgvuldig beheren van thermische effecten tijdens het gebruik.

Hoe kunnen MOF-materialen de waterstofopslagcapaciteit verbeteren?

De grotere deadsorptie-energie, des te sterker de interactiekracht, en omgekeerd. Momenteel ligt de waterstofadsorptie-energie van de meeste MOF-materialen rond de 5 kJ/mol H2, terwijl theoretische berekeningen aangeven dat de optimale waterstofadsorptie-energie voor hoogwaardige MOF-materialen varieert van 15 tot 25 kJ/mol H2. De strategieën om de waterstofopslagcapaciteit van MOF-materialen te verbeteren, omvatten onder andere het verhogen van het aantal niet-gevulde coördinatiecentra van metalen, het doperen van metaal-kationen om de lading-geïnduceerde dipoolinteracties tussen de MOF en waterstofmoleculen te versterken, en het doperen van edelmetalen zoals palladium of platina die waterstofmoleculen gemakkelijk kunnen dissociëren om zo het zogenaamde "spillover"-mechanisme te realiseren.

Het verhogen van de waterstofadsorptiecapaciteit kan bijvoorbeeld worden bereikt door het verwijderen van oplosmiddelmoleculen van het metaalcentrum, wat leidt tot het creëren van ongevulde metalen sites op het oppervlak van de poriën. Dit maakt een lading-geïnduceerde dipoolinteractie tussen de open metaal-sites en waterstofmoleculen mogelijk. Bijvoorbeeld, Xiao et al. toonden aan dat HKUST-1 een waterstofopslagcapaciteit had van 2,27 gew% bij 0,1 MPa en 3,6 gew% bij 1 MPa bij 77 K. Deze resultaten duiden op de voordelen van het creëren van ongevulde metaalcentra voor de waterstofopslag.

Daarnaast blijkt uit onderzoek van Kapelewski et al. dat het ontwerpen van materialen zoals Ni2(m-dobdc), met ongevulde Ni2+ metalen centra, resulteert in een sterke interactie tussen de MOF en H2, met een adsorptie-energie van 13,7 kJ/mol H2 en een waterstofopslagcapaciteit van 2,2 gew% bij 77 K en 0,1 MPa. Ook het doperen van MOF-materialen met metalen zoals Li+, Na+ en K+ kan de waterstofopslagcapaciteit vergroten door de lading-geïnduceerde dipoolinteracties tussen de metaal-kationen en waterstofmoleculen te versterken.

Een andere benadering betreft het doperen van MOF-materialen met edelmetalen zoals palladium of platina. Deze metalen kunnen waterstofmoleculen dissociëren, waarna de waterstofatomen zich via het spillover-mechanisme van het metaal naar het MOF-oppervlak verspreiden. Li et al. toonden aan dat door HKUST-1 op het oppervlak van Pd-nanokristallen te laten groeien om Pd@HKUST-1 nanocomposieten te vormen, de waterstofopslagcapaciteit met 74% werd verhoogd. Toch blijft het bewijs voor het spillover-effect, met name de rol van een koolstofbrug, een punt van discussie in de wetenschappelijke gemeenschap.

De effectiviteit van het spillover-mechanisme is afhankelijk van de interactie tussen de palladiumdeeltjes en het MOF. Volgens sommige studies kan de toevoeging van palladium inderdaad de waterstofopslagcapaciteit van MOF-materialen verbeteren, maar deze verbeteringen zouden geheel kunnen voortkomen uit de vorming van palladiumhydrides, wat de noodzaak van herhaalbare en betrouwbare experimenten benadrukt om het spillover-effect te verifiëren.

Wat betreft de druk- en temperatuurcondities voor waterstofopslag, kunnen de werkingsomstandigheden een aanzienlijke impact hebben op de prestaties van MOF-materialen. De werkingscapaciteit van waterstof wordt vaak gedefinieerd als het verschil in waterstofopslagcapaciteit tussen de maximale laaddruk (ongeveer 10 MPa) en de minimale ontlaaddruk (ongeveer 0,5 MPa) bij kamertemperatuur. In de meeste gevallen wordt het druk-swing-adsorptie (PSA)-proces toegepast om waterstof in MOF-materialen op te slaan. De werkingscapaciteit van MOF-materialen is momenteel relatief laag (<3,2 gew%), hoewel materialen zoals Ni2(m-dobdc) relatief hoge werkingscapaciteit vertonen, met een gewichts- en volumetrische opslagcapaciteit van respectievelijk 1,9 gew% en 11 g/L bij 298 K.

Er zijn echter MOF-materialen, zoals V2Cl2.8(btdd), die de hoogste waterstofadsorptie-energie vertonen (20,6 kJ/mol), dankzij de feedback-pi-bindingmogelijkheden die worden gecreëerd door divalente vanadiummetalen. Dit materiaal vertoonde bij kamertemperatuur een goede gravimetrische en volumetrische werkingscapaciteit van respectievelijk 1,5 gew% en 9,8 g/L. Het is belangrijk te vermelden dat de waterstofadsorptie-energie van dit materiaal de enige is die momenteel binnen het optimale bereik van 15–25 kJ/mol H2 valt.

De werkingscapaciteit van waterstof kan verder worden verhoogd door de omstandigheden van het opslagproces aan te passen. Door bijvoorbeeld de werkdruk te verhogen van 0,5 MPa naar 10 MPa en de temperatuur te verlagen naar 77 K, kan de opslagcapaciteit van MOF-materialen aanzienlijk worden verbeterd. Dit biedt veel potentieel voor de ontwerp- en ontwikkelingsstrategieën voor waterstofopslagtanks, zoals voorgesteld door het DOE Hydrogen Center.

Het is ook relevant om de structurele stabiliteit van MOF-materialen te overwegen, vooral die welke gebaseerd zijn op metaalclusters van Cu2 en Zn4. Hoewel deze materialen een hoog specifiek oppervlak en een aanzienlijke waterstofopslagcapaciteit bezitten, moeten ze verder worden geoptimaliseerd om hun structurele stabiliteit op lange termijn te waarborgen. In dit verband bieden MOF-materialen die zijn gebaseerd op hogere valentie metalen zoals Zr6, Al3, en Fe3, die sterke metaal-carboxylaat-coördinatiebindingen bezitten, uitstekende stabiliteit, vooral wanneer ze worden blootgesteld aan de uitdagende omstandigheden van waterstofopslag.

Wat is de fractie die wordt schaduwd?
Hoe beïnvloedt de migratie van neutronen de lekkage in een kernreactor?
Wat is het geheim van de Handdruk van de Duivel?