Solución a un misterio químico podría dar coches de hidrógeno más eficientes

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Los vehículos que respetan el medioambiente que usan gas de hidrógeno pueden reducir drásticamente las emisiones de gases invernadero y disminuir la dependencia del país de los combustibles fósiles. Aunque actualmente hay en el mercado varios vehículos impulsados por hidrógeno, aún hay mucho espacio para la mejora en la forma en que almacenan y usan el gas hidrógeno.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA, usando simulaciones de dinámica molecular, han resuelto un misterio de una década, y sus hallazgos podría finalmente llevar a diseños prácticos comercialmente para materiales de almacenamiento para su uso en vehículos de hidrógeno. Su investigación, actualmente disponible en el sitio web de Proceedings of the National Academy of Sciences, se publicará en la edición impresa del 4 de marzo.

Con las tecnologías actuales, los tanques de almacenamiento de gas hidrógeno tienen que ser tan grandes o más que el maletero de un coche para transportar suficiente combustible para viajar apenas de 150 a 300 kilómetros. Aunque el hidrógeno líquido es más denso que el gas y necesita menos espacio, es más caro y más difícil de producir y reduce los beneficios ambientales de los vehículos de hidrógeno. La amplia aceptación comercial de los vehículos de hidrógeno está por tanto vinculada a encontrar materiales que puedan almacenar gas de hidrógeno en grandes densidades volumétricas y gravimétricas en tanques de combustible de peso y tamaño razonables.

La búsqueda de soluciones generalmente ha implicado el uso de hidruros metálicos — aleaciones de metal que absorben y almacenan hidrógeno dentro de su estructura y liberan el hidrógeno cuando se les somete a calor.

En 1997, los científicos descubrieron que añadiendo una pequeña cantidad de titanio al alanato sódico, un hidruro metálico bien conocido usado en almacenamiento de gas de hidrógeno a bordo, no sólo disminuía la temperatura a la que se liberaba el hidrógeno, haciendo la reacción más eficiente, sino que también permitía un reabastecimiento más fácil y una mayor densidad de almacenamiento del hidrógeno a temperaturas y presiones razonables. De hecho, el porcentaje de peso de hidrógeno almacenado se duplicó al instante en comparación con otros materiales más baratos.

“Nadie entendía en realidad qué hacía el titanio”, dijo el autor principal del estudio de UCLA, Vidvuds Ozolins, profesor asociado de ciencias de los materiales e ingeniería y miembro del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA. “El proceso químico y los mecanismo era verdaderamente un misterio”.

Usando ordenadores y la potencia de la física básica, la química y la mecánica cuántica, el grupo de Ozolins decidió dar un paso atrás y examinar el alanato de sodio en su forma pura, sin añadir titanio. El grupo analizó los procesos químicos que tenían lugar en el material y lo que sucedía a los enlaces químicos entre el hidrógeno y el material a las temperaturas de liberación del hidrógeno. Los cálculos dieron a los investigadores información que difícilmente podrían haber obtenido de forma experimental.

Las conclusiones sugieren que el mecanismo de reacción esencial para la extracción del hidrógeno a partir del alanato de sodio implica la difusión de iones de aluminio dentro del material del hidruro. Comparando las energías de activación calculadas con los valores determinados experimentalmente, el grupo de Ozolins encontró que la difusión del aluminio es la clave de la limitación de la razón en los materiales catalizados con titanio. De esta forma el titanio facilita el proceso en el materia que es esencial para dar como resultado este mecanismo y la extracción de hidrógeno a menores temperaturas.

“Este método y su conocimiento puede usarse ahora para analizar otros materiales que podría crear mejores sistemas de almacenamiento que el alanato de sodio”, dijo Hakan Gunaydin, estudiante graduado de UCLA del laboratorio de Ozolins y uno de los autores del estudio. “Aún estamos en el final básico del estudio. Pero si podemos comprender esto computacionalmente, la gente con la tecnología en la ingeniería puede comprender el resto”.

“El alanato de sodio es por sí mismo un hidruro completo prototipo con una densidad de almacenamiento razonable y muy buena cinética”, dijo Ozolins. “El hidrógeno entra y sale rápidamente, pero no sería práctico para un coche, simplemente porque no contiene suficiente hidrógeno. Por esto es por lo que estamos tan interesados en comprender cómo el hidrógeno sale, qué sucede exactamente y cómo llevar esto a otros materiales”.

Lo que el grupo de Ozolins — junto con el profesor de química y bioquímica de UCLA Kendall Houk, también miembro del Instituto de NanoSistemas de California — espera ahora aplicar estos métodos y lecciones aprendidas a aquellos materiales que podrían crear sistemas de almacenamiento de gas hidrógeno comercialmente prácticos. Esperan que estos hallazgos faciliten algún día el diseño y creación de un vehículo de hidrógeno asequible y respetuoso con el medioambiente.

El estudio está patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencia.


Autor: Wileen Wong Kromhout
Fecha Original: 27 de febrero de 2008
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