Nanomaterialer for hydrogenlagring - Framstilling og karakterisering av MgH2-nanopartikler

Abstract

Hvis de fornybare og CO2-frie alternativene til fossilt brensel som sol-, vind- og vannkraft skal forsyne verden med energi, må denne konverteres fra elektrisitet til et energimedium. Hydrogen er en lovende kandidat som et slikt medium. Men for at hydrogen skal kunne erstatte fossilt drivstoff for transportformål, må det utvikles egnede lagringsmetoder. Lagring i faste materialer som metall- og komplekshydrider er en lovende tilnærming fordi det muliggjør svært kompakt lagring av hydrogen. Men flere problemer, som utilstrekkelig vektmessig lagringskapasitet og/eller uegnet termodynamikk for mange av materialene, må løses.

MgH2 er et av metallhydridene med høyest lagringskapasitet, men er begrenset av treg kinetikk og uegnet termodynamikk. Nanometerstore MgH2-partikler har bedret kinetikk, og teoretiske beregninger indikerer at termodynamikken deres endres fordelaktig under en viss partikkelstørrelse. Denne masteroppgaven omfatter framstilling av MgH2-nanopartikler og studier av deres mikrostruktur og kinetikk. Det var også planlagt å gjøre termodynamiske studier, men det var det i praksis ikke mulig å gjennomføre i den begrensede prosjektperioden. MgH2-partiklene ble forsøkt framstilt med kulemalingsmetoder og ved inkorporering i karbonnanorør.

Med kulemaling og metatesereaksjon mellom MgCl2 og alkalihydrider ble det framstilt saltkompositter bestående av homogent blandede MgH2- og LiCl- eller NaCl-nanopartikler. Det ble observert forskjeller i dekomponeringstemperatur og aktiveringsenergi for de forskjellige saltkomposittene. I den ene prøven ble MgH2-nanopartiklene separert fra LiCl, og partikkelstørrelsen ble målt til å ligge i området 6-30 nm med den største andelen i intervallet 10-20 nm. Det ble observert kornstørrelser ned til 6 nm.

Ved inkorporering av Mg i karbonnanorør ble det forsøkt å smelte Mg inn i rørene ved inerte betingelser. Dette resulterte i oksidasjon av Mg til MgO, som indikerte at betingelsene ikke var inerte. Det ble også forsøkt å dampe Mg inn i rørene i en evakuert kvartsampulle, men dette førte igjen til dannelse av MgO, både som nanopartikler og større krystaller. Nanopartiklene forelå som flak i størrelsesområdet 10-30 nm. Årsaken til oksideringen var trolig at Mg-damp reagerte med kvartsampullen ved å redusere SiO2. Det ble ikke påvist signifikante mengder Mg eller MgO inne i nanorørene.