Grafene per conservare idrogeno. Scoperta dell'Istituto Nanoscienze del CNR

la soluzione per immagazzinare idrogeno in modo efficiente potrebbe consistere nello "stropicciare" un foglio di grafene. Lo rivela uno studio condotto da ricercatori dell'Istituto Nanoscienze del Consiglio Nazionale delle Ricerche, pubblcato sulla rivista Journal of Physical Chemistry ("Reversible Hydrogen Storage by Controlled Buckling of Graphene Layers - Valentina Tozzini, Vittorio Pellegrini").
L'idrogeno, ingrediente principale delle celle efficienti e pulite, non è facile da conservare.
Valentina Tozzini e Vittorio Pellegrini (laboratorio Nest, Istituto Nanoscienze del CNR e Scuola Normale Superiore di Pisa) hanno mostrato con simulazioni e calcoli teorici la possibilità di utilizzare il grafene, il materiale formato da un solo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape valso il Nobel per la Fisica 2010 a Andre Geim e Konstantin Novoselov. In particolare controllando il corrugamento del grafene è possibile indurre il rilascio di idrogeno anche in condizioni ambientali normali.
I calcoli dei ricercatori del CNR indicano che quando uno strato di grafene viene compresso lateralmente formando ondulazioni con creste e valli, l'idrogeno aderisce chimicamente alle creste delle onde. Inoltre, spostando la corrugazione, in modo analogo a un'onda che avanza, le creste si muovono e l’idrogeno si ritrova in zone concave in cui l’adesione è sfavorita. Questo meccanismo combinato con l’effetto dinamico dell’onda stessa provoca il rilascio dell’idrogeno.
Per Valentia Tozzini: "L'idrogeno ha una forte affinità per le zone convesse del grafene e molto poca per quelle concave. Questo accade perché l'energia del legame è proporzionale alla curvatura del reticolo atomico. Una volta catturato sulle creste, invertendo la curvatura diventa possibile rilasciare l'idrogeno, un po' come se si scuotesse un tappeto di grafene impregnato di polvere-idrogeno".
La fase successiva consisteva nella sperimentazione di strati di grafene corrugato in laboratorio e nell'inversionee delle ondulazioni in maniera controllata. "L’idea di utilizzare la curvatura del grafene per assorbire e rilasciare idrogeno è del tutto nuova - sottolinea Vittorio Pellegrini - la realizzazione di dispositivo è vincolata da molti requisiti ingegneristici che abbiamo appena cominciato a esplorare, ma le simulazioni di questo studio ci dicono che la strada è percorribile".

Reversible Hydrogen Storage by Controlled Buckling of Graphene Layers
Valentina Tozzini, Vittorio Pellegrini (NEST - Istituto Nanoscienze - CNR and Scuola Normale Superiore, Pisa)
Journal of Physical Chemistry [C, 2011, 115 (51), pp 25523–25528]
Abstract
We propose a multilayer graphene-based device in which the storage and release of hydrogen are obtained by exploiting and controlling the corrugation of individual layers of graphene. By means of calculations based on the density-functional theory, we quantify the tunability of the hydrogen-graphene binding energies by changing the sheet out-of-plane deformation up to ±0.2 Å. We show that the binding energy can be varied by more than 2 eV, with the convex regions allocating the energetically favored hydrogen binding sites. We simulate the process of hydrogen chemisorption on corrugated graphene and release under the application of time-dependent mechanical deformations. Our results show that the corrugation of the graphene sheet and the controlled inversion of its curvature yield fast storage and release of hydrogen. Our corrugated graphene multilayer system can potentially reach gravimetric capacities up to 8 wt % and reversibly store and release hydrogen by external control of the local curvature at room conditions and with fast kinetics.