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Gas-phase synthesis of Mg-Ti nanoparticles for solid-state hydrogen storage

Understanding and tuning hydrogen – materials interaction at the nanoscale is a crucial step in the development of hydrogen storage and sensor systems. Here we report on a novel nanomaterials with remarkable hydrogen sorption kinetics.
Magnesium-titanium alloy nanoparticles prepared by gas-phase condensation exhibit remarkable hydrogen sorption kinetics

DIFA Authors: Dott. Marco Calizzi, Prof. Luca Pasquini

DOI: 10.1039/C5CP03092G

Links: http://www.cost-mp1103.eu/

Hydrogen technology, including production, storage and use in fuel cells, is a promising method of providing continuous nonpolluting energy for a range of applications. However, the advent of hydrogen as a safe energy carrier requires the development of novel materials, particularly in the field of storage. In fact, storing hydrogen in the solid-state within a metal matrix improves safety and efficiency compared to compressed gas or liquid hydrogen. The mechanisms of hydrogen uptake and release to and from this matrix are of interest both from a fundamental scientific point of view and towards the development of hydrogen storage materials for practical use.

In this paper, researchers from DIFA (M. Calizzi and L. Pasquini) have prepared a novel material with interesting hydrogen storage properties by a physical bottom-up growth technique. A mixture of (Mg) and titanium (Ti) atoms obtained by thermal evaporation in a ultra-high-vacuum chamber have been rapidly cooled by a pure helium flow, leading to the condensation of Mg-Ti nanoparticles. These nanoparticles are constituted by a metastable MgTi alloy, as revealed by x-ray diffraction and high resolution elemental mapping in an electron microscope, despite the total immiscibility of Mg and Ti in conventional bulk alloys. The nanoparticles readily absorb hydrogen at moderate temperature and pressure, forming a nanocomposite, in which ultra-small (few nm) titanium hydride crystallites are dispersed within magnesium hydride nanoparticles. Hydrogen can be cyclically desorbed and reabsorbed by the nanocomposite with remarkably fast kinetics, thanks to the combined effects of nanosizing and Ti dispersion. The atomic-level structure and the thermodynamics of hydrogen sorption have been characterized in the framework of a European COST Action on nanostructured materials for solid-state hydrogen storage (http://www.cost-mp1103.eu/). This research is relevant to the design and growth of nanoparticles with advanced morphology and composition and to the study of hydrogen interaction with materials at the nanoscale.

Condensazione in gas inerte di nanoparticelle Mg-Ti per stoccaggio di idrogeno allo stato solido

La comprensione ed il controllo delle interazioni fra idrogeno e materiali su scala nanometrica è un passo fondamentale per lo sviluppo di sistemi di stoccaggio e sensoristica di idrogeno. In questo lavoro presentiamo un nuovo nanomateriale con notevoli cinetiche di assorbimento e desorbimento di idrogeno.

La tecnologia dell'idrogeno, comprendente la produzione, lo stoccaggio e l'uso in celle a combustibile, è un metodo promettente per fornire energia in modo continuo e non inquinante, per una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, l'avvento dell'idrogeno come vettore energetico sicuro ed economicamente competitivo richiede lo sviluppo di nuovi materiali, in particolare nel settore dello stoccaggio. Infatti, immagazzinare idrogeno allo stato solido in una matrice metallica migliora la sicurezza e l'efficienza rispetto al gas compresso o all’idrogeno liquido. I meccanismi di assorbimento e rilascio di idrogeno da questa matrice sono di interesse sia da un punto di vista scientifico di base, sia per l'uso pratico per lo sviluppo di materiali per lo stoccaggio di idrogeno.

In questo articolo, i ricercatori del DIFA (M. Calizzi e L. Pasquini) hanno preparato un nuovo materiale con interessanti proprietà di stoccaggio usando una tecnica di deposizione fisica. Una miscela di atomi di magnesio (Mg) e titanio (Ti), ottenuta per evaporazione termica in una camera da ultra-alto vuoto, è stata rapidamente raffreddata da un flusso di elio puro, ottenendo così la condensazione di nanoparticelle Mg-Ti. Tali nanoparticelle sono costituite da una lega metastabile MgTi, come rivelato mediante diffrazione da raggi X e mappe elementali ad alta risoluzione ottenute con un microscopio elettronico, nonostante la totale immiscibilità di Mg e Ti in leghe convenzionali. Le nanoparticelle assorbono idrogeno già a temperature e pressioni moderate, formando un nanocomposito, in cui cristalliti ultra-fini (pochi nm) di idruro di titanio sono dispersi nelle nanoparticelle di idruro di magnesio. L'idrogeno può essere reversibilmente desorbito e riassorbito dal nanocomposito con cinetiche particolarmente veloci, grazie agli effetti combinati della nanostruttura e della dispersione di Ti. La struttura a livello atomico e la termodinamica della trasformazione metallo-idruro di questo sistema sono state caratterizzate nell’ambito di un’azione europea COST su materiali nanostrutturati per lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido (http://www.cost-mp1103.eu/). La ricerca è rilevante per la progettazione e la crescita di nanoparticelle con morfologia e composizione avanzate e per lo studio dell'interazione dell’idrogeno con i materiali su scala nanometrica.