Waarom kokosnoten het waterstofopslagmateriaal van de toekomst kunnen zijn

Waterstof is een potentiële hernieuwbare brandstof omdat het gemakkelijk kan worden opgewekt uit water door middel van elektrolyse. Het brandt ook schoon om waterdamp te produceren. De hoop is dat het ook kan worden gedistribueerd met behulp van hetzelfde wereldwijde netwerk van transport van vloeibare brandstoffen dat benzine over de planeet vervoert.

Maar er zijn tal van problemen met deze droom van een op waterstof gebaseerde economie. Een daarvan is dat waterstof moeilijk efficiënt op te slaan is. Waterstofgas heeft een lage energiedichtheid naar volume vergeleken met benzine. In feite zit er minstens 60 procent meer waterstof in een liter benzine dan in een liter zuivere vloeibare waterstof. Met andere woorden, waterstof zal altijd grotere tanks nodig hebben.

Het is dus een enorme uitdaging om manieren te vinden om er meer van op te slaan. Een optie is om het als vloeistof op te slaan, maar waterstof kookt bij temperaturen boven -250 °C en vereist daarom omvangrijke isolatie om het in deze staat te houden.

Een ander idee is om het te comprimeren. Maar dit roept veiligheidsproblemen op als een auto op waterstof bij een aanrijding betrokken raakt.

Dat is de reden waarom veel van het materiaalwetenschappelijk onderzoek op dit gebied zich heeft gericht op chemische opslag: het vinden van materialen die waterstof efficiënt adsorberen en vervolgens weer vrijgeven wanneer dat nodig is.

Nu zeggen Viney Dixit en vrienden van het Hydrogen Energy Center van de Banaras Hindu University in India dat ze hebben ontdekt dat verkoold kokosvlees bijzonder goed is in deze taak. Tegenwoordig laten ze zien dat het beter presteert dan een aantal andere waterstofopslagmaterialen, vooral wat betreft het vermogen om gedurende vele laadcycli te werken.

Om materialen voor waterstofopslag te helpen evalueren, heeft het Amerikaanse ministerie van Energie een aantal doelen gesteld waaraan deze materialen moeten voldoen om als levensvatbare technologieën voor toekomstige transportsystemen te worden beschouwd. Het huidige criterium is bijvoorbeeld dat een waterstofopslagsysteem minimaal 5,5 massaprocent waterstof (5,5 gew.%).

Dit is de massa van het gehele opslagsysteem en niet alleen de massa van het opslagmateriaal. Het is dus duidelijk dat de massafractie van het opslagmateriaal aanzienlijk hoger moet zijn.

Materiaalwetenschappers richtten hun inspanningen oorspronkelijk op metaalhydriden, waarvan sommige waterstof kunnen opslaan in hogere fracties dan de DoE-criteria. Deze materialen hebben echter een aantal nadelen. Eerst moeten ze worden verwarmd om de waterstof vrij te maken en dat kost energie. Erger nog, de materialen hebben de neiging om fysiek af te breken naarmate het aantal oplaadcycli groter wordt dan 100 of zo.

Dus in de afgelopen jaren hebben onderzoekers hun aandacht gericht op koolstof. Het is bekend dat de binding tussen waterstof en koolstof snel en omkeerbaar is. Bovendien is het relatief eenvoudig om sterke, poreuze koolstof met een groot oppervlak te maken.

Een manier om dit te doen is door biologisch materiaal, zoals fruit of kokosnoot, te carboniseren. Dit houdt in dat het materiaal wordt verhit tot enkele honderden graden Celsius in een stikstofatmosfeer die ervoor zorgt dat de koolstof zijn poreuze biologische structuur behoudt.

In plaats van kokosnoot, Dixit en co verkoold kokosvlees. Ze zeggen dat dit het voordeel heeft dat het een grote verscheidenheid aan extra elementen bevat, zoals kalium, natrium, calcium en magnesium, die gelijkmatig over de koolstofmatrix zijn verdeeld. En ze zeggen dat dit significant blijkt te zijn in hun experimenten.

Deze jongens hebben de hoeveelheid waterstof gemeten die verkoold kokosvlees kan bevatten en zeggen dat het goed te vergelijken is met meer conventionele materialen. Het gesynthetiseerde materiaal adsorbeert 2,30 gew.% bij kamertemperatuur en 8,00 gew.% bij temperatuur van vloeibare stikstof onder een druk van 70 atm, zeg Dixit en co.

Bovendien geeft het materiaal waterstof snel en efficiënt af en lijkt het niet af te breken gedurende vele laadcycli.

Of dat goed genoeg is om te voldoen aan het criterium van 5,5 gew.% van de DoE voor een heel opslagsysteem, moet nog worden bezien.

Het team heeft enige tijd besteed aan het bestuderen van de microstructuur van het verkoolde kokosvlees om erachter te komen waarom het zo goed presteert. En ze hebben twee mechanismen vastgesteld.

De eerste is dat het verkoolde kokosvlees een aanzienlijke hoeveelheid kaliumchloride bevat, dat de koolstofmatrix polariseert waarin het is ingebed. Dit zal de waterstofadsorptiecapaciteit vergroten, zeggen ze.

De tweede is dat de koolstofmatrix ook aanzienlijke hoeveelheden magnesium bevat, waarvan bekend is dat het de dissociatie van waterstofmoleculen verbetert, waardoor ze gemakkelijker te adsorberen zijn.

Dat is een interessant resultaat dat enkele veelbelovende mogelijkheden voor toekomstig onderzoek suggereert. De aanwezigheid van moleculen die de adsorptie van waterstof katalyseren, lijkt een belangrijk mechanisme te zijn. Het is misschien zelfs mogelijk om deze verhoudingen aan te passen door kokosnoten in verschillende omgevingen te telen. Een andere mogelijkheid is om kunstmatig koolstof te synthetiseren die overeenkomt met enkele kenmerken van verkoold kokosvlees.

Hoe dan ook, materiaalwetenschappers kunnen hun hangmatten in de toekomst winstgevend tussen enkele kokospalmen ophangen.

Referentie: arxiv.org/abs/1409.7219 : Waterstofopslag in koolstof afgeleid van vast endosperm van kokosnoot

zich verstoppen