El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo, y además tiene la ventaja de que se puede utilizar para generar electricidad. Los sistemas de propulsión de hidrógeno, gracias a la tecnología de pila de combustible, son un candidato ecológico para dar relevo a los combustibles fósiles que tanta contaminación generan en nuestras calles. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes que presenta el hidrógeno está en su capacidad de almacenamiento.
En cambio, estos inconvenientes parecen haber sido resueltos por un equipo de investigadores de la Universidad de Rice, en Houston, que han descubierto la arquitectura perfecta para almacenar hidrógeno en los nanomateriales de grafeno blanco o nitruro de boro hexagonal (hBN). Esta arquitectura molecular, como si de la estructura de un edificio se tratara, coloca pisos uno sobre el otro, formando capas separadas por pilares de nitruro de boro a exactamente 5.2 angstroms de distancia, la cual permite absorber una mayor cantidad de hidrógeno. Para ayudar a hacernos una idea de la precisión con la que trabajan estos científicos, cabe mencionar que un angstrom equivale a una diezmillonésima parte de un milímetro (1/10.000.000 mm).
"La motivación es crear un material eficiente que pueda absorber y retener una gran cantidad de hidrógeno, tanto en volumen como en peso, y que pueda liberar rápida y fácilmente ese hidrógeno cuando sea necesario", dijo Rouzbeh Shahsavari, autor principal del estudio y profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Rice. La investigación fue publicada en la revista Small, el medio de referencia cuando hablamos de nanotecnología.
Tras meses de cálculos en dos de los superordenadores más rápidos de la Universidad de Rice, Shahsavari y Shuo Zhao, estudiante de posgrado de Rice, encontraron la arquitectura óptima para almacenar hidrógeno en nitruro de boro (BN). La estructura del material, el nitruro de boro hexagonal, consiste en láminas de boro y nitrógeno de un átomo de espesor. También se denomina grafeno blanco porque los átomos están espaciados exactamente como los átomos de carbono en láminas planas de grafeno.
Shahsavari había descubierto previamente que los materiales híbridos de grafeno y nitruro de boro podrían contener suficiente hidrógeno para cumplir con los objetivos de almacenamiento del Departamento de Energía para vehículos de pila de combustible. "La elección del material es importante. El nitruro de boro ha demostrado ser mejor en términos de absorción de hidrógeno que el grafeno puro, los nanotubos de carbono o los híbridos de grafeno y nitruro de boro" indicó Shahsavari.
Simulaciones en superordenadores
Los investigadores realizaron numerosas simulaciones informáticas basadas en los principios de la física. Shahsavari dijo que el enfoque era computacionalmente intenso, pero que valía la pena el esfuerzo extra porque ofrecía mayor precisión. "Realizamos casi 4.000 cálculos para tratar de encontrar ese punto óptimo donde el material y la geometría van de la mano y realmente trabajamos juntos para optimizar el almacenamiento de hidrógeno", dijo.
"El nitruro de boro es un sorbente que contiene hidrógeno a través de enlaces físicos, que son más débiles que los enlaces químicos. Esa es una ventaja cuando se trata de extraer el hidrógeno del almacenamiento porque los materiales sorbentes tienden a descargarse más fácilmente que sus primos químicos", dijo Shahsavari.
"Sin pilares, las láminas se ubican naturalmente una encima de la otra sobre tres angstroms separados, y muy pocos átomos de hidrógeno pueden penetrar ese espacio. Cuando la distancia crecía a seis angstroms o más, la capacidad también disminuyó. A 5.2 angstroms, hay una atracción cooperativa tanto del techo como del suelo y el hidrógeno tiende a aglomerarse en el centro. Por el contrario, los modelos hechos de tubos de BN tenían menos capacidad de almacenamiento", continuó el investigador.
Esta nueva arquitectura puede ser usada para almacenar el hidrógeno que propulsará a los coches de pila de combustible de forma masiva. Un informe de 2017 de BCC Research determinó que la demanda mundial de materiales y tecnologías de almacenamiento de hidrógeno probablemente alcanzará los 5.400 millones de dólares (4.390 millones de euros) anuales para el año 2021.
