Η αποθήκευση υδρογόνου σε στερεά κατάσταση- βρίσκεται στο επίκεντρο της συμφόρησης της εφοδιαστικής οικονομίας υδρογόνου. Δύο οικογένειες υλικών οδηγούν τα κράματα τύπου AB2-τιτάνιο-με βάση το φορτίο και τα υδρίδια με βάση το μαγνήσιο-. Κάθε ένα έρχεται με δυνατά και μειονεκτήματα. Η επιλογή εξαρτάται από την εφαρμογή.
Χωρητικότητα: The Gravimetric Wall
Το υδρίδιο του μαγνησίου (MgH2) προσφέρει θεωρητική ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου 7,6 wt%, την υψηλότερη μεταξύ των αναστρέψιμων υλικών στερεάς-κατάστασης [11†L7-L8]. Αυτό το βαρυμετρικό πλεονέκτημα έχει κρατήσει το μαγνήσιο στην πρώτη γραμμή της έρευνας που βασίζεται στην ικανότητα για χρόνια.
Τα κράματα AB2 με βάση το τιτάνιο-λειτουργούν σε διαφορετικό εύρος. Τα συστήματα TiMn2 και TiCr2 συνήθως παρέχουν ονομαστική πυκνότητα αποθήκευσης 1,8–2,0 wt% [1†L29-L31]. Βελτιστοποιημένες συνθέσεις όπως Ti0.75Zr0.25Cr0.75Mn1.2 + 1.5 wt.% Ce ωθούν προς το 1,87 wt% σε κλιμακούμενη παραγωγή [0†L27-L29]. Τα κράματα BCC υψηλής{30}εντροπίας προχωρούν περαιτέρω - το Ti32V32Nb18Cr9Mn9 φτάνει το 2,9 wt% [1†L9-L10]. Οι παραλλαγές Ti–Cr–V–Mn τύπου AB2 αποθηκεύουν 1,92 wt% ακόμη και στους -10 βαθμούς [10†L6-L9].
Μόνο με τη βαρυμετρική πυκνότητα, το μαγνήσιο κερδίζει. Αλλά η σύγκριση του πραγματικού-κόσμου είναι πιο λεπτή.
Κινητική: Ενεργοποίηση και Ποδηλασία
Εδώ βρίσκεται η καθοριστική διαφορά.
Το υδρίδιο του μαγνησίου απαιτεί θερμοκρασίες αφυδρογόνωσης περίπου 280–300 μοίρες λόγω της ισχυρής σταθερότητας του δεσμού Mg–H [3†L5-L6]. Τα υψηλά θερμοδυναμικά εμπόδια και η υποτονική κινητική περιορίζουν την πρακτική ανάπτυξη χωρίς εξωτερική θέρμανση [4†L9-L11]. Οι στρατηγικές καταλυτικού ντόπινγκ και νανοπεριορισμού μειώνουν αυτά τα κατώφλια-ορισμένα σύνθετα υλικά PdNi@rGN ρίχνουν τη θερμοκρασία έναρξης αφυδρογόνωσης στους 140 βαθμούς με ενέργεια ενεργοποίησης 70,5 kJ·mol-1 [11†L31-L34]-αλλά αυτά δεν παραμένουν βιομηχανικά πρότυπα εργαστηριακά επιτεύγματα.
Τα κράματα τιτανίου λειτουργούν στους 20–50 βαθμούς, κοντά στο περιβάλλον. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για πολύπλοκες υποδομές θέρμανσης. Τα κράματα φάσης Laves τύπου AB2-όπως το TiCrMn απορροφούν και εκροφούν το υδρογόνο στους -30 βαθμούς έως 80 βαθμούς, προσαρμόζονται τόσο σε ψυχρά κλίματα όσο και σε μέτρια ζέστη χωρίς βοηθητικά συστήματα [10†L34-L37].
Η απαίτηση 280 μοιρών του μαγνησίου το διατηρεί σε εξειδικευμένες εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας{{1}. Η λειτουργία θερμοκρασίας δωματίου{3}}του Titanium ταιριάζει απευθείας σε ενσωματωμένο χώρο αποθήκευσης αυτοκινήτου και σε σταθερή θέση.
Κινητική: Ενεργοποίηση και Ποδηλασία
Τα κράματα με βάση το τιτάνιο-επιδεικνύουν ευνοϊκή απόδοση ενεργοποίησης χωρίς προεπεξεργασία. Μελέτες δείχνουν ότι τα κράματα με βάση το Ti–Mn απορροφούν υδρογόνο σε θερμοκρασία δωματίου κάτω από 5 MPa, παρέχοντας έως και 1,98 wt% χωρίς προηγούμενους κύκλους ενεργοποίησης [1†L32-L36]. Πορώδεις δομές τιτανίου που παρασκευάζονται με μεταλλουργία σκόνης{10}}χρησιμοποιώντας σκόνη Ti αναμεμειγμένη με Mn/Cr, ψυχρή ισοστατική συμπίεση και πυροσυσσωμάτωση υπό κενό στους 1200 μοίρες - επιτυγχάνουν αναστρέψιμη αποθήκευση στο περιβάλλον περίπου 1,8 wt% με αμελητέα υστέρηση και χωρίς ορατή αποσύνθεση σε διάστημα 10 κύκλων [5-9 λίτρα.
Η κινητική του μαγνησίου παραμένει το κύριο σημείο συμφόρησης. Ακόμη και με συν-κατάλυση Ni, Cr, Fe, Cu, η ενέργεια ενεργοποίησης υδρογόνωσης και αφυδρογόνωσης του MgH2 απαιτεί προσεκτική μηχανική. Η θερμική σταθερότητα είναι τόσο υψηλή που η απορρόφηση του υδρογόνου απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες σε όλη την επιφάνεια [3†L36-L37].
Η σταθερότητα στην ποδηλασία ενισχύει το πλεονέκτημα του τιτανίου. Τα κράματα Ti{1}}AB2 επιδεικνύουν εκτεταμένη διάρκεια ζωής κύκλου πέραν των 1000 κύκλων με πάνω από 80% διατήρηση χωρητικότητας [1†L4-L6]. Το υδρίδιο του μαγνησίου, αντίθετα, υποφέρει από κύκλους διαστολής-συστολής όγκου κατά τον σχηματισμό και την αποσύνθεση υδριδίου, οδηγώντας σε κονιοποίηση σωματιδίων και εξασθένιση της χωρητικότητας.
Ασφάλεια και πίεση λειτουργίας
Τα συστήματα τιτανίου λειτουργούν κάτω από 4 MPa σε διαμορφώσεις χαμηλής-πίεσης στερεάς-κατάστασης, σε σύγκριση με 70 MPa για δεξαμενές συμπιεσμένου υδρογόνου τύπου IV [1†L20-L21]. Η χαμηλότερη πίεση μειώνει το κόστος συγκράτησης και εξαλείφει τους κινδύνους καταστροφικής ρήξης.
Το υδρίδιο του μαγνησίου, αν και θεωρητικά ασφαλές, απαιτεί λειτουργία σε υψηλές-θερμοκρασίες. Η θέρμανση στους 300 βαθμούς εισάγει τους δικούς της λόγους ασφαλείας.
