Materiales Nanocristalinos Almacenadores de Hidrógeno

Informe Final
Proyectos SIP: 20060768 y 20070948
“Materiales Nanocristalinos
Almacenadores de Hidrógeno”
Responsable: M. en C. Beatriz H. Zeifert
DIM-ESIQIE-IPN
Tel. 5729 6000, ext. 55268
e-mail: [email protected]
Informe Final
Proyectos SIP: 20060768 y 20070948
“Materiales Nanocristalinos Almacenadores de Hidrógeno”
RESUMEN
Se realizó un análisis detallado sobre el estado actual de materiales almacenadores de
hidrógeno, reportados en la literatura, y desarrollados tanto desde centros de
investigación académicos como empresariales. Se discute el almacenamiento de hidrógeno
en diferentes fases y se concluye que los materiales sólidos son los que presentan la mejor
posibilidad, pero se requiere aún mucho trabajo por hacer para la transición hacia una
economía del hidrógeno.
Los materiales sólidos reportados en la literatura fueron clasificados por grupos: hidruros
metálicos, hidruros complejos, nanotubos de carbono y materiales absorbentes porosos.
Los alanatos, del grupo de los hidruros complejos, son de los materiales con mayor
capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
Se trabajó con el alanato de sodio (NaAlH4) que es un material que almacena
aproximadamente 7.5 % peso de hidrógeno a condiciones apropiadas de temperatura y
presión.
Se sintetizó alanato de sodio a partir de una mezcla de hidruro de sodio y aluminio en
polvo por molienda mecánica en atmósfera de argón. La caracterización del producto por
difracción de rayos X indicó que se logró formar el material. Sin embargo se observó una
gran dificultad en cuanto al manejo del alanato de sodio debido a su reacción violenta con
el aire o humedad del ambiente, por lo cual fue imprescindible el uso de caja de guantes
con atmósfera inerte. Incluso en la preparación de la muestra para DR-X, fue necesario
observar esos cuidados y además, proteger la muestra con una película especial, que
permitiera su caracterización.
Los resultados de este trabajo pueden servir de antecedente para la preparación de este
tipo de material, los equipos necesarios y condiciones requeridas para un estudio mas
detallado.
INTRODUCCIÓN
La disminución progresiva de las reservas de combustibles fósiles y los problemas de
contaminación ambiental asociados a su combustión, han atraído la atención de los
investigadores hacia la búsqueda de nuevas alternativas energéticas. El hidrógeno es una
de ellas, pues posee grandes ventajas ambientales. Es un combustible limpio cuando se
quema con aire y produce emisiones no contaminantes, excepto para algunas relaciones
H2/aire donde la temperatura elevada de la llama produce concentraciones significativas
de NOx en la combustión [1].
Las tecnologías de hidrógeno pueden reducir y eliminar las descargas de dióxido de
carbono de la combustión, que es la principal causa del calentamiento global. Uno de los
principales desafíos para desarrollar la tecnología de hidrógeno es buscar la forma de
almacenarlo. Por ejemplo, es posible almacenar hidrógeno en hidruros metálicos, el cual
tiene una ventaja volumétrica sobre el hidrógeno gaseoso y el hidrógeno líquido.
En el curso de los siguientes 50 años, el uso de los combustibles fósiles disminuirá por
los desarrollos tecnológicos que buscarán una energía limpia y segura. Afortunadamente
el hidrógeno puede proveer energía necesaria para las actividades cotidianas y también
evitar la contaminación atmosférica. El uso del hidrógeno como una energía universal
será un enorme beneficio para la sociedad y también para el desarrollo de todo el mundo.
La transición de combustibles fósiles al hidrógeno es de importancia revolucionaria, no
sólo por su impacto social, pero también por la ciencia de los nuevos materiales que lo
requiere en todos sus aspectos.
Para ello, se requiere almacenar hidrógeno en sólidos (hidruros metálicos, hidruros
complejos (alanatos), nanotubos de carbono, etc.) de manera reversible, resolver los
problemas de almacenamiento y de la cinética de adsorción y desorción del hidrógeno en
estos materiales, y los ciclos de vida en este proceso.[2]
Los alanatos son hasta ahora uno de los materiales mas prometedores para el
almacenamiento de hidrógeno, llegan a almacenar hasta 18 %w de hidrógeno. Por ejemplo
el alanato de sodio (NaAlH4) es un material apropiado para almacenar hidrógeno ya que
puede almacenar hasta 7.5 %w de hidrógeno a temperaturas menores de 300° C [3].
Se analizó el estado actual de los materiales almacenadores de hidrógeno en estado
sólido, se sintetizó el alanato de sodio por molienda mecánica de manera exitosa y se
analizó el material por diferentes técnicas de caracterización.
Emisiones Contaminantes de los Combustibles Fósiles
En la última década, se han realizado grandes esfuerzos en la búsqueda de combustibles
alternos que puedan sustituir de manera adecuada a los de origen fósil. Para evitar la
contaminación y el efecto invernadero, los sectores de generación de energía y
transportación se encuentran en un proceso de búsqueda de fuentes de energía alternas
a partir de recursos naturales.
La cuestión inmediata que se plantea es cómo se pueden mitigar los efectos
contaminantes resultantes del incremento progresivo del tráfico rodado. Las emisiones en
los gases de escape de los motores, tales como hidrocarburos no quemados (HC),
monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx) son las responsables de problemas
de contaminación localizados, debido al aumento del parque automovilístico y los
problemas de contaminación que causan. Se han establecido normas anti-contaminantes
en Europa y en todo el mundo, que con el paso del tiempo son cada vez más severas, de
acuerdo a la Figura 1.
CO (g/kWh)
15
10
Euro I (1993)
5
0
Euro II (1996)
Euro III (2001)
Euro IV (2006)
HC (x10 g/kWh)
NOx (g/kWh)
Figura 1. Normas Anticontaminantes de Europa
Debido a esto, en los últimos años los constructores de automóviles han ido incorporando
convertidores catalíticos postcombustión con el objetivo de reducir las emisiones
contaminantes localizadas. Estos dispositivos catalíticos, son muy eficientes en cuanto
que eliminan
90-95% de las emisiones CO, NOx y HC. La emisión más importante es el
dióxido de carbono (CO2), aún no regulada, pero se espera incidir sobre ella a medio plazo
debido a su implicación en el efecto invernadero global en la atmósfera, implicado en el
cambio climático. La forma más simple de reducir las emisiones de CO2 producidas por el
tráfico rodado, es aumentar la eficiencia de los motores desde sus niveles actuales de 1215% mediante la mejora de los diseños de los motores de combustión y la estructura del
propio vehículo. Además, está surgiendo con fuerza una tecnología alternativa, basada en
un motor eléctrico alimentado por una pila o celda de combustible. Este concepto nuevo
ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por
el aumento de la eficiencia hasta niveles de 30-40%, sino también porque la única
emisión producida es vapor de agua [1].
Características del Hidrógeno como Combustible
El hidrógeno es el elemento más ligero de la naturaleza, así como el más abundante en el
universo, totalizando más del 70%. Se halla en las estrellas jóvenes, en polvo interestelar
y en las enormes nubes de gas suspendidas en el espacio, pero la mayor parte de él se
encuentra formando diversos compuestos químicos. Presenta muy baja solubilidad en
líquidos, pero una alta solubilidad en metales, especialmente en paladio. En su forma
atómica puede solubilizarse en metales, dando lugar a compuestos con relación
estequiométrica del tipo de aleaciones, o no estequiométrica del tipo de hidruros. El
hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, altamente flamable y no es tóxico. El
hidrógeno se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. El hidrógeno
es el más ligero de los gases conocidos en función a su bajo peso específico con relación al
aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar
accidentes. El hidrógeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad
y a su bajo peso molecular (peso molecular = 2.016). Es un combustible con un alto
contenido energético, que proporciona 28.6696 Kcal/gr, frente a 11.953 Kcal/gr del gas
natural, 10.780 Kcal/gr de la gasolina, 10.932 Kcal/gr del butano y 10.0792 Kcal/gr del
propano. En la Figura 2 se compara el contenido energético de diferentes combustibles.
El hidrógeno es el tercer elemento más común (en la Tierra) después del oxígeno y el
silicio. Como hidrógeno libre, se le puede hallar en las emisiones volcánicas, en el gas
natural y en la estructura de ciertas rocas, pero como elemento químicamente combinado
se halla presente en el agua (que es la sustancia más abundante). Cerca del 10% del
cuerpo humano está constituido por hidrógeno [1].
28.6696
Contenido energético en
kcal/gr
30
25
20
11.953
15
10.932
10.0792
10.78
10
5
0
Hidrógeno
Gas
natural
Butano
Propano Gasolina
Combustibles
Figura 2. Contenido energético de diferentes combustibles
Estado Actual de la Tecnología para el Almacenamiento de Hidrógeno
El problema del almacenaje del hidrógeno es alcanzar la densidad volumétrica más alta
del hidrógeno usando poco material adicional como sea posible. Bajo temperatura y
presión ambiente, 1 kilogramo de hidrógeno tiene un volumen de 11 m3. Para aumentar
la densidad volumétrica, se tiene que trabajar para comprimir el gas, disminuir la
temperatura debajo de la temperatura crítica o de repulsión reducida por la interacción
con otro material. El segundo criterio es la reversibilidad de absorción y desorción de
hidrógeno. El criterio de la reversibilidad descarta todos los compuestos covalentes del
carbón-hidrógeno porque el lanzamiento del hidrógeno ocurre debido a la descomposición
en temperaturas más altas o debido a la oxidación del carbón.
La Figura 3 muestra las capacidades de almacenamiento de hidrógeno de los diferentes
métodos usados actualmente y la comparación de capacidades de almacenamiento de
hidrógeno. Se ve claramente que los métodos actuales de almacenaje del hidrógeno no
podrán entregar los requisitos requeridos de la densidad de energía.
200
DENSIDAD
VOLUMETRICA (kg/m3)
Gasolina
LaNi5H6
100
50
Almacenamiento de
H2 en aleaciones
20
H2 a presión en un
tanque Cu
10
Batería
Ni-MH
Adsorción en
Carbono
H2 Líquido
Tanques de
gas (H2) a
alta presión
5
0.5
1
2
5
10
20
DENSIDAD GRAVIMETRICA (%)
Figura 3. Métodos de almacenamiento de hidrógeno
El almacenamiento y el suministro efectivo de hidrógeno, producido de fuentes diversas y
destinado a diversos usos, son elementos clave de la economía de hidrógeno. El uso del
hidrógeno como vector de energía requiere un medio de almacenar el exceso de producto
para uso posterior, de transportar el hidrógeno almacenado desde el punto de producción
al de consumo, y de cargar y descargar hidrógeno en los centros de suministro según las
necesidades [5]. El almacenamiento de hidrógeno presenta retos muy variados pues para
los requerimientos de los seis métodos actualmente investigados, se necesitan sistemas y
materiales cuya interacción con el hidrógeno varíe desde una interacción fuerte hasta una
prácticamente nula [6].
Los métodos convencionales de almacenamiento son (1) cilindros de gas a alta presión y
(2) recipientes para hidrógeno líquido. Adicionalmente a estos métodos, se tienen otros
cuya factibilidad sigue en estado de evaluación: (3) hidruros metálicos, (4) fisisorción en
materiales de alta superficie específica, (5) hidruros complejos, (6) compuestos orgánicos
o híbridos. El objetivo fundamental de todos los métodos de almacenamiento es
“compactar” el hidrógeno lo más densamente posible, esto es, lograr la mayor densidad
volumétrica posible usando la menor cantidad de otros materiales (“contenedores”) en el
almacenamiento. Usualmente, esto implica la reducción de un volumen enorme de
hidrógeno gaseoso en condiciones normales de temperatura y presión (NTP). Un kilogramo
de hidrógeno a NTP ocupa un volumen de 11 metros cúbicos. Para aumentar la densidad
del hidrógeno, se requiere efectuar trabajo mecánico para comprimir el gas, o reducir su
temperatura por debajo de la temperatura de licuefacción, o disminuir la interacción
entre las moléculas o átomos de hidrógeno combinándolo en la superficie o en la
estructura interna de otros materiales.
Un segundo criterio importante para un sistema de almacenamiento de hidrógeno es la
reversibilidad en la captura y liberación del mismo. Por consiguiente, son importantes
tanto los materiales que interactúan con el hidrógeno como aquéllos que son inertes. En
esta perspectiva, los compuestos covalentes entre hidrógeno y carbono quedan excluidos,
al requerirse temperaturas superiores a 800 ºC para descomponerlos y porque en otros
casos el carbono se oxida.
Básicamente, en la actualidad se conocen seis métodos para el almacenamiento reversible
de hidrógeno con una alta densidad volumétrica y gravimétrica. Estos métodos se enlistan
en la Tabla 1.
Tabla 1. Métodos de almacenamiento de hidrógeno.
Densidad
Gravimétrica
(% masa)
Densidad
Volumétrica
(kg H2 / m3)
Temp. de
Trabajo(ºC)
Presión de
Trabajo (bar)
Cilindros de
gas a alta
presión
13
40
Ambiente
800
Hidrógeno
líquido en
tanques
criogénicos
Dependiente
del tamaño
70.8
- 252
1
Hidrógeno
adsorbido
~2
~20
- 80
~100
Combinado
químicamente
en hidruros
metálicos
~2 – 7
~150
Ambiente
~1–5
Compuestos
inorgánicos
complejos
< 18
~150
> 100
1
Metales y
complejos
junto con
agua
< 40
>150
Ambiente
1
Método
Almacenamiento de Hidrógeno en Estado Gaseoso
La baja densidad del hidrógeno gaseoso es una desventaja, ya que implica que el
almacenamiento requerirá grandes volúmenes y altas presiones.
El almacenamiento en recipientes de alta y media presión se usa también en pequeña
escala. La baja densidad del hidrógeno es una desventaja ya que implica que se puede
almacenar menos energía por unidad de volumen que con otros gases comprimidos.
Además, la seguridad es otro aspecto limitante. Por esta razón, el almacenamiento de
hidrógeno en forma de gas comprimido tendrá escasa aplicación en el almacenamiento
masivo de energía en forma de hidrógeno.
Básicamente, el hidrógeno es un gas a temperaturas superiores a - 262 ºC, con una
densidad de 0.089886 kg/m3 a 0 °C y presión de 1 bar. A temperatura ambiente (298.15
K), el comportamiento del gas puede describirse mediante la ecuación de Van der Waals:
(1)
donde p es la presión, V el volumen, T la temperatura absoluta, n el número de moles, R
la constante de los gases, a es la constante dipolar de interacción o repulsión, y b es el
volumen ocupado por la molécula de hidrógeno. La fuerte repulsión entre moléculas de
hidrógeno es responsable por la baja temperatura crítica (Tc = 33 K) del gas.
Cilindros de Gas de Alta Presión.
El sistema de almacenamiento más común son los cilindros de gas de alta presión,
operados a presiones máximas de 20 MPa. El espesor de la pared de un cilindro con
extremos semiesféricos está dado por:
(2)
donde dw es el espesor de pared, do el diámetro exterior del cilindro, ∆p la sobrepresión, y
σV la resistencia máxima a la tensión del material. Esta última varía de unos 50 MPa
para el aluminio hasta más de 1100 MPa para acero especial. Se han desarrollado
también nuevos cilindros compósitos que son capaces de soportar presiones de hasta 80
MPa, de modo que el gas pueda alcanzar una densidad volumétrica de unos 36 kg/m3,
que es aproximadamente la mitad de la que alcanza en estado líquido.
El material ideal para un cilindro de alta presión tiene una resistencia a la tensión muy
alta (no necesariamente isotópica), una baja densidad, y no reacciona con el hidrógeno o
permite que éste se difunda en su estructura. La mayoría de los cilindros a presión han
sido fabricados de acero inoxidable austenítico (p. ej., AISI 316 y 304 y AISI 316L y 304L),
cobre, o aleaciones de aluminio, los cuales son esencialmente inmunes a los efectos del
hidrógeno a temperatura ambiente.
El gas hidrógeno puede ser comprimido usando compresores convencionales tipo pistón.
El trabajo teórico para la compresión isotérmica del hidrógeno se calcula con la ecuación:
(3)
donde p and p0 son las presiones final e inicial, respectivamente. La compresión
isotérmica del hidrógeno de 0.1 a 80 MPa consume entonces aproximadamente 2.21
kWh/kg. En realidad, el trabajo realizado es significativamente mayor porque la
compresión no se lleva a cabo isotérmicamente. La relativamente baja densidad del
hidrógeno así obtenida, en combinación con las altas presiones requeridas, representan
desventajas importantes para este método técnicamente sencillo (y bien conocido) de
almacenamiento de hidrógeno.
Almacenamiento de Hidrógeno en Estado Líquido
El hidrógeno líquido es almacenado en tanques criogénicos a 21.2 K y presión ambiental.
El cambio en entalpía, al pasar de hidrógeno gaseoso (300 K) a hidrógeno líquido (20 K) es
de 11,640 kJ/kg. El trabajo teórico necesario para licuar el hidrógeno a partir de
temperatura ambiente es de 3.23 kWh/kg, pero el trabajo total efectivo es del orden de
15.2 kWh/kg, que es casi la mitad del valor energético disponible por la combustión del
hidrógeno [7].
La rapidez de evaporación del hidrógeno líquido en un tanque de almacenamiento debido
a fugas de calor es función de su tamaño, forma y tipo de aislamiento térmico. Puesto que
las pérdidas resultantes de las fugas térmicas son proporcionales a la razón área
superficial / volumen, la rapidez de evaporación disminuye conforme aumenta el tamaño
del tanque. En recipientes térmicos (dewars) de doble pared y al vacío, las pérdidas típicas
son de 0.4% por día para un volumen almacenado de 50 m3, 0.2% para 100 m3, y 0.06%
para 20,000 m3.
La gran cantidad de energía usada para su licuefacción y las pérdidas continuas por
evaporación son actualmente limitantes para el uso extensivo de hidrógeno líquido como
forma de almacenamiento, excepto para aquéllas donde las cantidades usadas son muy
grandes, un bajo costo no es imperativo y el gas es consumido en corto tiempo.
Fisisorción de Hidrógeno
En la fisisorción, las moléculas de un gas interaccionan con los átomos de la superficie de
un sólido. La energía potencial de las moléculas tiene un mínimo a una distancia del
sólido aproximadamente igual a su radio molecular. Este mínimo es del orden de 0.01-0.1
eV (1-10 kJ / mol) [8]. Debido a que es una interacción relativamente débil, una
fisisorción significativa se observa solamente a bajas temperaturas (<273 K).
La cantidad de gas adsorbido, mads, sobre un substrato con área superficial específica
Sspec, está dada por mads = Mads·Sspec/Sml, donde Mads es la masa de la molécula
adsorbida y Sml el área superficial cubierta por una monocapa del mismo gas. Esto indica
que la cantidad de gas adsorbido es proporcional a Sspec. En el caso de carbono como
substrato e hidrógeno como gas adsorbido, el valor máximo de Sspec para el carbono es
1,315 m2/g y la cantidad máxima de hidrógeno adsorbido es ~ 3.0 % masa.
Materiales con grandes áreas superficiales, como el carbón activado y las nanoestructuras
de carbono, representan posibles substratos para la fisisorción de hidrógeno. En el caso
de sólidos microporosos con capilares de diámetro pequeño (menor a 10 veces el diámetro
de la molécula adsorbida), las fuerzas atractivas sobre la molécula se ven incrementadas
en comparación con una superficie plana. Este fenómeno es la razón principal del interés
en los nanotubos de carbono como medio de almacenamiento de hidrógeno [9].
Además de las nanoestructuras de carbono, otros materiales nanoporosos han sido
investigados en relación a la fisisorción de hidrógeno. Zeolitas de variada arquitectura y
composición han mostrado que la cantidad de hidrógeno almacenado aumenta con la
temperatura y la presión. Las cantidades máximas almacenadas se reportan del orden de
0.1 % masa. Este comportamiento indica que más bien ocurre una reacción química. Sin
embargo, a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K), las zeolitas efectivamente adsorben
el hidrógeno proporcionalmente a su área superficial específica de poro.
Almacenamiento de Hidrógeno en Estado Sólido
El almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido necesita de altas presiones en los
depósitos de confinamiento mientras que el almacenamiento líquido necesita de depósitos
criogénicos. Ambos sistemas presentan dificultades, el almacenamiento gaseoso es muy
voluminoso y el almacenamiento líquido es poco práctico en aplicaciones no industriales,
además de caro. En el almacenaje por hidruros metálicos, se mejoran algunos de los
inconvenientes anteriores y presentan un modo compacto, intermedio en peso, para el
almacenamiento, como se ilustra en la Figura 4.
(a)
(b)
(c)
Figura 4. Almacenamiento de hidrógeno en forma (a) sólida, (b) liquida, (c) gaseosa, cada
uno con un volumen de 4 kg en diferentes recipientes, con tamaño relativo al tamaño de
un carro.
Bajo condiciones adecuadas de temperatura y presión, la reacción es reversible en
algunos hidruros, una dada masa metálica puede ser cargada y descargada un número
prácticamente ilimitado de veces, pudiendo utilizarse como un tanque para el
almacenamiento sólido del hidrógeno.
Esta forma de almacenamiento es apta para aplicaciones de pequeña y mediana escala.
Tiene la ventaja que se requieren bajas presiones y que éstos almacenadores son muy
seguros, pues en caso de producirse una pérdida brusca de oxígeno, el sistema
reaccionará inhibiendo la producción de liberaciones adicionales del gas. La ventaja de
esta forma de almacenamiento es el peso relativamente alto asociado al material
absorbente: en el mejor de los casos se llega a aproximadamente el 7% del peso del
hidrógeno total.
El almacenamiento del hidrógeno como hidruros es especialmente útil y conveniente en el
caso de pequeños sistemas energéticos aislados. En la Figura 7 se muestra el desarrollo
de
materiales
almacenadores
de
hidrógeno
en
función
de
su
capacidad
de
almacenamiento en el periodo de 1970 al 2000. Se observa que el NaAlH4 es el material
que presenta mayor capacidad [10] El almacenamiento de estado sólido consiste en la
acumulación de hidrógeno en hidruros metálicos, en materiales de acumulación química,
y en nanoestructuras. En estos materiales, el hidrógeno se puede almacenar tanto
reversible como irreversiblemente. En almacenamiento reversible, el hidrógeno se libera
aumentando la temperatura a una presión dada. El hidrógeno se vuelve a acumular
mediante control de temperatura y presión. En materiales irreversibles, el hidrógeno se
Capacidad de alamcenamiento de H2 [%w]
libera por reacción química con otro elemento, como el agua.
Año
Figura 7. Capacidad de almacenamiento de algunos materiales almacenadores de
hidrógeno durante el periodo 1970-2000.
MÉTODOS Y MATERIALES
La síntesis de alanato de sodio (NaHAl4) se realizó a partir de una mezcla de aluminio en
polvo e hidruro de sodio mediante el método de molienda mecánica en un molino Spex,
modelo D-8000, de alta velocidad, en atmósfera estática de argón.
Preparación de las Muestras
Para la preparación de las muestras, se partió de los siguientes reactivos:
• Aluminio (Al) en polvo de 44 µm marca Baker.
• Hidruro de Sodio (NaH) con 99% de pureza, marca Aldrich.
Se pesaron dos cantidades de los siguientes reactivos y balines:
•
•
•
Aluminio(Al) : 981 y 982 mg
Hidruro de Sodio(NaH): 759 y 755 mg en una atmósfera de argón
Balines de acero inoxidable: 9 y 8.9 g
Molienda Mecánica
Después de haber pesado los reactivos y balines, se agregaron los reactivos (aluminio e
hidruro de sodio) en los dos contenedores del molino Spex con los respectivos balines
previamente pesados, dentro de una caja de guantes con atmósfera de argón, porque si el
hidruro de sodio (NaH) reacciona con la humedad del medio ambiente, se puede incendiar
o si está en contacto con agua puede liberar gases flamables.
El siguiente paso consistió en moler los reactivos en el molino Spex durante dos horas,
como parámetro preliminar, para formar el alanato de sodio.
Después de la molienda en el molino Spex, el siguiente paso fue descargar el producto
obtenido de la molienda en frasco. Esta operación fue realizada en la caja de guantes bajo
una atmósfera de argón y con mucho cuidado, ya que el producto obtenido presenta
varios riesgos tales como peligro de incendio al contacto con aire, agua o humedad
formando mezclas flamables.
En la figura 8 se muestra el esquema de la experimentación realizada.
NaH (polvo)
Carga de los reactivos y
balines dentro de la caja de
guantes en atmósfera de
Molienda
(molino spex)
Argón
Al (polvo)
Producto
de molienda
Figura 8. Diagrama de flujo del desarrollo experimental.
Difracción de Rayos X
Después de la molienda de los reactivos, se colocaron las muestras en un porta muestras
dentro de la caja de guantes bajo atmósfera de argón, para caracterizarlas por difracción
de rayos X (DRX). Para evitar el contacto de las muestras con el oxígeno del aire, estas
fueron protegidas mediante una película delgada hecha de polímero, llamada Milar Film.
Previamente se obtuvo un difractograma de la película protectora. Dicha caracterización
se realizó mediante un difractómetro de rayos X marca Bruker, modelo D8 Focus, con
radiación Cu Kα (λ = 0.1542 nm). Las condiciones de operación: velocidad de barrido
2°/min., voltaje de 35 kV y amperaje de 25 mA.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos por la técnica de DRX se muestran en la figura 9.
3.0
NaAlH4
NaH
Na3AlH6
Intensidad (I/I)
2.5
2.0
Na3AlH6
1.5
NaH
1.0
0.5
NaAlH4
0.0
5
15
25
35
45
55
65
2θ (°)
Figura 9. Difractogramas de NaH, NaAlH4 y Na3AlH6
75
85
IMPACTO
Se analizó el estado actual de los materiales almacenadores de hidrógeno en estado
sólido, se sintetizó el alanato de sodio por molienda mecánica de manera exitosa y se
analizó el material por diferentes técnicas de caracterización.
Se discutió el almacenamiento de hidrógeno en diferentes fases y se concluyó que los
materiales sólidos son los que presentan la mejor posibilidad, pero se requiere aún mucho
trabajo por hacer para la transición hacia una economía del hidrógeno. Sin embargo, es
muy importante que en México, grupos de investigación multidisciplinarios trabajen en
conjunto para el desarrollo de conocimiento y tecnologías de sustitución de combustibles
fósiles, puesto que en un futuro a mediano plazo, se prevé que deberemos estar en una
posición de adquisición, asimilación y transferencia de tecnologías de este tipo de
combustibles en el sector energético. Para ello es importante formar cuadros que estén
preparados para intervenir en el sector.
En este sentido, el desarrollo de este proyecto permitió desarrollar una tesis y se está
trabajando con otros tesistas y otros materiales para evaluar su comportamiento cuanto a
la capacidad de adsorción-desorción de hidrógeno.