Desorción y absorción de hidrógeno en hidruro de magnesio modificado con aditivos base niobio

CASTRO, FACUNDO J.; URRETAVIZCAYA, GUILLERMINA

Mar del Plata

Congreso; 20° Congreso Internacional de Materiales SAM-CONAMET 2022; 2022

INTEMA/ASOCIACIÓN ARGENTINA DE MATERIALES

El uso del hidrógeno es una de las alternativas más promisorias para modificar el sistema energético actual, basado en derivados de hidrocarburos, debido a que el agua es el único subproducto producido cuando el hidrógeno se quema en un motor de combustión o en una celda de combustible para generar energía. Uno de los aspectos relevantes a considerar a la hora de implementar la tecnología del hidrógeno es el almacenamiento y transporte. En este marco, uno de los métodos para almacenar hidrógeno que resulta interesante es el uso de hidruros sólidos. Su interés radica en que estos compuestos pueden contener más hidrógeno por unidad de volumen que el que se logra con el hidrógeno licuado o en forma gaseosa en tanques de alta presión. Entre los distintos hidruros que se comportan como almacenadores de hidrógeno el hidruro de magnesio (MgH2) es particularmente interesante debido a que es barato y tiene baja densidad. Su elevada capacidad volumétrica (109 g H/L) y gravimétrica (7.6 %p/p) hace que el sistema Mg/MgH2 sea una alternativa viable para requerimientos de aplicaciones móviles (on-board). Sin embargo, entre las desventajas que restringen su uso a gran escala se encuentra su lenta cinética de absorción y desorción de hidrógeno a temperaturas por debajo de los 300 °C. Este problema se ha intentado resolver por dos vías: modificando la microestructura empleando molienda mecánica; y proveyendo mecanismos alternativos para la absorción y desorción de hidrógeno por medio del dopado con catalizadores. En particular, los aditivos basados en niobio han mostrado muy buenos resultados, con notables mejoras en la cinética. En un trabajo previo mostramos que el agregado de etóxido de Nb, un compuesto que es líquido a temperatura ambiente, a MgH2 previamente molido produce una importante mejora en la cinética, dado que debido a su carácter líquido es posible lograr una dispersión homogénea y nanométrica del Nb en el material. Sumado a eso, se logra un muy buen comportamiento con pequeñas cantidades de aditivo, lo que conduce a una limitada pérdida en la capacidad de almacenamiento. Dado que el aditivo así incorporado se localiza principalmente en la superficie de las partículas, buscamos luego explorar la combinación de esta acción sobre la superficie con dos estrategias diferentes: 1) la modificación de la microestructura del material molido por agregado de un agente de control de proceso de molienda, y 2) el efecto del agregado de un catalizador durante la molienda, que se incorpore en el bulk del material. Para ello preparamos los materiales moliendo MgH2 con grafito o Nb2O5, y luego incorporamos distintas cantidades de etóxido de Nb sobre la superficie de los materiales molidos. La caracterización de los mismos la realizamos por difracción de rayos X (XRD), calorimetría diferencial de barrido (DSC), termogravimetría (TG), espectroscopía de masas (MS), microscopías electrónicas de barrido y transmisión (SEM y TEM), análisis elemental por espectroscopía de dispersión en energía (EDS) y espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). El estudio de la cinética de absorción y desorción de hidrógeno la llevamos a cabo en un equipo volumétrico tipo Sieverts.El agregado de etóxido de Nb en la superficie del MgH2 molido produce una disminución en su temperatura de descomposición de aproximadamente 90 °C. Las diferentes cantidades de aditivo estudiadas, entre 0.1 % y 1.0 % molar muestran coincidencia en la temperatura de los picos de descomposición (~ 270 °C), lo cual sugiere que por encima de cierta cantidad de aditivo hay una saturación del efecto catalítico. En cuanto al comportamiento del material en la cinética de absorción y desorción de hidrógeno bajo condiciones isotérmicas, el mejor comportamiento teniendo en cuenta la cinética, capacidad y cantidad de aditivo se alcanza con el material que contiene 0.25 % molar de etóxido de Nb. En este caso se absorben y liberan 5.3 % p/p y 5.1 p/p en solo 3 minutos a 300 °C, y 5.2 % p/p y 3.7 % p/p son absorbidos y desorbidos en 10 minutos a 250 °C, respectivamente. Las propiedades de los materiales con todas las composiciones estudiadas permanecen sin cambio luego de 10 ciclos de absorción y desorción a 300 °C.Estos resultados se comparan con los obtenidos para los materiales modificados microestructuralmente por molienda con grafito, y para los materiales con Nb2O5 como aditivo en el bulk y etóxido de Nb en la superficie.