Come conservare l'idrogeno?
Leghe speciali studiate al PETRA III
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Se si nomina una delle possibili fonti di energia sostenibile del futuro, le celle a combustibile a idrogeno sono sicuramente tra queste. La reazione dell'idrogeno con l'ossigeno per formare l'acqua libera grandi quantità di energia termica, che può essere sfruttata per molti scopi, tra cui l'alimentazione dei veicoli e la generazione di elettricità. Ma una sfida nella produzione di massa di celle a combustibile a idrogeno è il contenimento e la distribuzione dell'idrogeno stesso, poiché il gas deve essere assorbito all'interno della cella, avendo una forte tendenza a corrodere una varietà di materiali.
La lega Cantor ha mostrato un comportamento variabile in presenza di idrogeno in relazione alla pressione dell'ambiente. In generale, la lega resisteva all'idrogeno corrosivo a pressione standard, ma formava idruri dall'idrogeno gassoso ad alte pressioni.
Illustration: Konstantin Glazyrin, DESY
Un team internazionale di scienziati, guidato da ricercatori della Ruhr University Bochum (RUB) e del DESY, ha utilizzato diverse strutture sperimentali leader a livello mondiale, tra cui PETRA III, e calcoli teorici all'avanguardia per esaminare una classe di materiali chiamati leghe ad alta entropia - miscele di più metalli che danno origine a solidi robusti e resistenti alla corrosione - e il loro comportamento in una forte atmosfera di idrogeno sotto pressione. Utilizzando studi a raggi X e neutroni, il team ha potuto esaminare il complesso comportamento di questa classe di materiali relativamente nuova con l'idrogeno atmosferico. I risultati sono pubblicati su Nature Communications.
Il team, guidato da Kirill Yusenko della RUB, ha studiato un composto chiamato lega di Cantor ad alta entropia. A differenza della maggior parte delle altre leghe metalliche, che comprendono fino a quattro metalli elementari con tracce di altri, le leghe ad alta entropia comprendono quantità quasi uguali di cinque o più elementi metallici diversi. Sintetizzata per la prima volta nel 2004 da un gruppo di ricerca britannico guidato dallo scienziato dei materiali Brian Cantor, la lega Cantor è caratterizzata da rapporti molari equivalenti tra gli elementi metallici cobalto, cromo, ferro, nichel e manganese. Il solido risultante può essere un concorrente diretto di molte leghe convenzionali utilizzate nell'industria moderna e nei prodotti di consumo grazie, tra gli altri aspetti, alla sua eccellente resistenza alla corrosione e alle sue proprietà meccaniche.
Utilizzando la diffusione dei raggi X al PETRA III in Germania e all'ESRF in Francia, nonché studi di diffusione neutronica al J-PARC in Giappone, il team di ricerca ha scoperto che quando la lega Cantor viene esposta all'idrogeno gassoso e sottoposta a pressione e calore estremi, emerge con idruri - atomi di idrogeno dissociati - legati alla struttura della lega. Tuttavia, lo stesso studio dimostra che a pressioni e temperature tipiche dei prodotti industriali e di consumo, la lega Cantor non assorbe l'idrogeno, contrastando fortemente la corrosione.
"Questo lavoro aggiunge importanti tasselli al puzzle della resistenza della lega Cantor all'assorbimento dell'idrogeno, che è uno dei fattori principali della corrosione da idrogeno", afferma Konstantin Glazyrin, scienziato della linea di fascio per condizioni estreme P02.2 di PETRA III e primo autore della pubblicazione. "Ci auguriamo che il nostro approccio metodologico innovativo e i nostri risultati diano impulso alla ricerca sui materiali e ispirino applicazioni reali nel campo dell'economia dell'idrogeno".
Tuttavia, la presenza degli idruri potrebbe fornire un'interessante novità nella storia. "Le leghe ad alta entropia e i loro idruri rappresentano ancora un enigma", afferma Kirill Yusenko. "Da un lato, alcune di esse possono consentire un assorbimento sufficiente per essere utilizzate come mezzo per le celle a combustibile. Nel caso della lega Cantor, osserviamo che la resistenza alla corrosione e l'elevato assorbimento di idrogeno sono incompatibili con i requisiti delle celle a combustibile, che dovrebbero immagazzinare quantità significative di idrogeno. D'altra parte, la lega Cantor ha proprietà che forniscono la resistenza richiesta per lo stoccaggio dell'idrogeno in un contesto più ampio, in particolare per il suo contenimento e la consegna in vari ambienti complessi e impegnativi, come gli stadi dei razzi riutilizzabili e i motori delle automobili".
Come passo successivo, il team continuerà a esplorare altri sistemi ad alta entropia composti da diversi materiali per studiare le differenze nel loro comportamento sotto pressione e in presenza di idrogeno. "I sistemi ad alta entropia stanno guadagnando sempre più attenzione", afferma Fritz Körmann della RUB, altro coautore del lavoro. "Sono importanti per la scienza fondamentale, ma anche per le loro diverse applicazioni, che possono contribuire a plasmare un futuro tecnologicamente avanzato e sostenibile".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Konstantin Glazyrin, Kristina Spektor, Maxim Bykov, Paulo H. B. Carvalho, Weiwei Dong, Fritz Körmann, Asami Sano-Furukawa, Takanori Hattori, Doreen C. Beyer, Martin Sahlberg, Yuji Ikeda, Ji Hun Yu, Yang Sangsun, Jai-Sung Lee, Shrikant Bhat, Michael Hanfland, Blazej Grabowski, Sergiy Divinski, Kirill V. Yusenko; "Synthesis of high-entropy hydride from the cantor alloy (fcc–CoCrFeNiMn) at extreme conditions"; Nature Communications, Volume 17, 2026-3-17
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