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5 settembre 2022

di Linda Behringer, Società Max Planck

L’idrogeno (H2) è attualmente considerato il vettore energetico ideale delle energie rinnovabili. L’idrogeno ha la densità di energia gravimetrica più alta di tutti i combustibili chimici (141 MJ/kg), che è tre volte superiore a quella della benzina (46 MJ/kg). Tuttavia, la sua bassa densità volumetrica ne limita l’uso diffuso nelle applicazioni di trasporto, poiché le attuali opzioni di stoccaggio richiedono molto spazio.

A temperatura ambiente l'idrogeno è un gas e un chilogrammo di idrogeno occupa un volume di 12.000 litri (12 metri cubi). Nei veicoli a celle a combustibile, l'idrogeno viene immagazzinato ad una pressione molto elevata, pari a 700 volte la pressione atmosferica, che riduce il volume a 25 litri per chilogrammo di H2. L'idrogeno liquido mostra una densità maggiore pari a 14 litri per chilogrammo, ma richiede temperature estremamente basse poiché il punto di ebollizione dell'idrogeno è meno 253 °C.

Ora un team di scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems, della Technische Universität Dresden, della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e dell’Oak Ridge National Laboratory ha dimostrato che l’idrogeno si condensa su una superficie a una temperatura molto bassa vicino alla concentrazione di H2 punto di ebollizione, formando un monostrato super denso che supera di quasi tre volte la densità dell'idrogeno liquido, riducendo il volume a soli 5 litri per chilogrammo di H2.

Il risultato sorprendente è stato che la superficie era ricoperta da un numero doppio di molecole di H2 rispetto agli atomi del gas nobile argon, anche se entrambi hanno quasi la stessa dimensione. Per raddoppiare il numero di molecole per area, le molecole di H2 si stringono strettamente insieme, formando uno strato super denso.

Lo studio di R. Balderas-Xicohténcatl et al. ha coinvolto esperimenti di crioadsorbimento ad alta risoluzione su silice mesoporosa altamente ordinata che presentava caratteristiche superficiali e dei pori ben definite per determinare il numero di molecole condensate sulla superficie del materiale.

La diffusione anelastica dei neutroni è uno strumento ideale per seguire la formazione di questo strato di idrogeno bidimensionale. Per la prima volta l’esistenza di questo idrogeno superdenso è stata confermata in situ. Questa osservazione diretta è stata possibile solo utilizzando lo spettrometro vibrazionale di neutroni ad alta risoluzione VISION, che presenta un tasso di conteggio anelastico più di 100 volte maggiore di qualsiasi spettrometro simile disponibile.

Studi teorici confermano le osservazioni sperimentali della densità di idrogeno insolitamente elevata nello strato adsorbito. Le forze di attrazione sulla superficie erano più forti della repulsione tra due molecole di idrogeno, determinando un impaccamento di idrogeno super denso sulla superficie di silice mesoporosa. L'altissima densità è una conseguenza dell'elevata comprimibilità dell'idrogeno, che non ha elettroni nel nucleo.

Di fondamentale interesse è la formazione dello strato di idrogeno superdenso a basse temperature vicine al punto di ebollizione. Dovrebbe essere preso in considerazione per l’analisi quantitativa delle isoterme di adsorbimento di H2 a 20 K. Potrebbe anche aprire nuove possibilità per migliorare la capacità volumetrica dei sistemi di stoccaggio criogenico dell’idrogeno per molte applicazioni nella futura economia dell’idrogeno.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Chemistry.

Maggiori informazioni: Rafael Balderas-Xicohténcatl et al, Formazione di un monostrato di idrogeno super denso su silice mesoporosa, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7

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