عثمان، أ. I.، نصر، م.، التويلي، أ. س.، حسني، م.، فرغالي، م.، الفاتح، أ. س.، روني، د. و.، & عبد المنعم، إ. م. (2024). تقدم في مواد تخزين الهيدروجين: استغلال التكنولوجيا المبتكرة، من التعلم الآلي إلى الكيمياء الحاسوبية، لحلول تخزين الطاقة. المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين، 67، 1270-1294.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.223

المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين

نسخة الناشر بصيغة PDF، والمعروفة أيضًا باسم النسخة المسجلة

رابط إلى سجل النشر في بوابة أبحاث جامعة كوينز بلفاست

حقوق الطبع والنشر 2024 المؤلفون.
هذه مقالة مفتوحة الوصول نُشرت بموجب ترخيص المشاع الإبداعي للاستخدام مع النسبة.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/الذي يسمح بالاستخدام غير المقيد، والتوزيع، والاستنساخ في أي وسيلة، بشرط ذكر المؤلف والمصدر.

حقوق الطبع والنشر للمنشورات المتاحة عبر بوابة أبحاث جامعة كوينز بلفاست يحتفظ بها المؤلف (المؤلفون) و/أو أصحاب حقوق الطبع والنشر الآخرين، ومن شروط الوصول إلى هذه المنشورات أن يعترف المستخدمون ويلتزموا بالمتطلبات القانونية المرتبطة بهذه الحقوق.

بوابة البحث هي المستودع المؤسسي لجامعة كوين الذي يوفر الوصول إلى مخرجات أبحاث جامعة كوين. تم بذل كل جهد لضمان أن المحتوى في بوابة البحث لا ينتهك حقوق أي شخص، أو القوانين البريطانية المعمول بها. إذا اكتشفت محتوى في بوابة البحث تعتقد أنه ينتهك حقوق الطبع والنشر أو يخالف أي قانون، يرجى الاتصال بـopenaccess@qub.ac.uk.

تم جعل هذا البحث متاحًا للجمهور من قبل أكاديميي كوين وفريق البحث المفتوح. نود أن نسمع كيف يفيدك الوصول إلى هذا البحث. – شاركنا ملاحظاتك:http://go.qub.ac.uk/oa-feedback

المحرر المعالج: إبراهيم دينجر

تخزين الهيدروجين
الهيدروجين المضغوط
الهيدروجين المسال
الفحص عالي الإنتاجية
الكيمياء الحاسوبية
تعلم الآلة

لقد كانت الطلب العالمي على الطاقة في تزايد مستمر بسبب عوامل مثل النمو السكاني، والتنمية الاقتصادية، والتحضر. تشير التوقعات إلى أن عدد سكان العالم سيصل إلى حوالي 9.7 مليار بحلول عام 2050، مما سيؤدي بالتالي إلى استمرار ارتفاع الطلب على الطاقة. في الوقت الحالي، تمثل الوقود الأحفوري، بما في ذلك الفحم والنفط والغاز الطبيعي، حوالي من استهلاك الطاقة في العالم يؤدي احتراق هذه الوقود إلى انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، وخاصة ثاني أكسيد الكربون. )، التي تسهم بشكل كبير في الاحتباس الحراري، وتغير المناخ، والآثار البيئية السلبية مثل الأحداث الجوية الشديدة، وارتفاع مستويات البحار، وفقدان التنوع البيولوجي [3-6]. علاوة على ذلك، تطلق هذه الوقود ملوثات مثل أكاسيد النيتروجين (NOx)، وأكاسيد الكبريت (SOx)، والمواد الجسيمية (PM)، مما يؤدي إلى تلوث الهواء
والآثار الضارة على صحة الإنسان. لقد ظهرت التوترات الجيوسياسية والمخاوف بشأن أمن الطاقة بسبب التوزيع غير المتساوي لموارد الوقود الأحفوري.

استجابةً للمخاوف البيئية وقضايا أمن الطاقة، تستثمر العديد من الدول في مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية [8]، وطاقة الرياح [9]، والطاقة الكهرومائية [10]. تنتج هذه المصادر انبعاثات غازات دفيئة ضئيلة أو معدومة، مما يقلل من البصمة الكربونية لقطاع الطاقة [11،12]. الهيدروجين، الذي يُعتبر مغيرًا لقواعد اللعبة في مشهد الطاقة العالمي، يلعب دورًا محوريًا في تحقيق الاستدامة. إنه حامل طاقة نظيف ومتجدد ومتعدد الاستخدامات مع تطبيقات محتملة في مجالات النقل، وتوليد الطاقة، والعمليات الصناعية، وأكثر من ذلك [13]. تشمل أسباب أهمية الهيدروجين اعتماده على الطاقة النظيفة، وتجديده، ودوره في تخزين الطاقة، وتنوع تطبيقاته، وإمكانية الإنتاج المحلي التي تعزز الطاقة.

الأمن، والابتكار والتقدم التكنولوجي الذي يتطلبه، مما يدفع النمو الاقتصادي وخلق الوظائف [14].

لتحقيق التوازن بين توليد الطاقة المتغيرة من مصادر الطاقة المتجددة والطلب وتجنب تقليل الإنتاج، تم اقتراح أنظمة تخزين الطاقة مثل البطاريات، والهواء المضغوط، وتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ، والعجلات الطائرة، وتخزين الطاقة الحرارية. ومع ذلك، تأتي هذه الأنظمة مع تحديات تقنية، وكفاءات متغيرة، ومخاطر، وتكاليف أولية أعلى مقارنة بالطرق التقليدية. يوفر تخزين الهيدروجين حلاً واعدًا من خلال تحويل الكهرباء الزائدة إلى هيدروجين أو إنتاجه من عمليات منخفضة الكربون، والتي يمكن استخدامها كوقود في محركات الاحتراق أو خلايا الوقود. يتمتع الهيدروجين بأعلى طاقة لكل وحدة كتلة بين الوقود ويحتمل أن يسهم بشكل كبير في إزالة الكربون من مزيج الطاقة العالمي.

تعتبر السعي نحو مواد تخزين الهيدروجين الفعالة جانبًا حاسمًا في البحث عن حلول الطاقة المستدامة في ظل التحول العالمي نحو خيارات أنظف. ومع ذلك، فإن تحدي التخزين الآمن والفعال يعيق اعتمادها على نطاق واسع. إن تصميم مواد قادرة على تخزين الهيدروجين وإطلاقه بشكل منظم يعد أمرًا محوريًا لتعظيم إمكانياته في مجال الطاقة. تتضمن هذه الجهود اعتبارات دقيقة، تشمل الخصائص الهيكلية للمادة، المسامية، مساحة السطح، السعة، الاستقرار، والسلامة. إن معالجة هذه الاعتبارات التصميمية أمر أساسي لتقدم تكنولوجيا تخزين الهيدروجين ودورها المحوري في تطبيقات الطاقة النظيفة.

يمكن تصنيف تقنيات تخزين الهيدروجين بشكل عام إلى فئتين: الأساليب المعتمدة على الفيزياء والأساليب المعتمدة على المواد. تشمل طرق التخزين الفيزيائية الغاز المضغوط والسوائل والأشكال المبردة، حيث يتم التلاعب بظروف التخزين، مثل الضغط أو درجة الحرارة. على النقيض من ذلك، يعتمد التخزين المعتمد على المواد أو التخزين الصلب على مواد مثل هيدريدات المعادن، والهيدريدات المعقدة، والمواد المحتوية على الكربون مثل الكربون المنشط، والجرافين، وأنابيب الكربون النانوية. تستخدم هذه المواد تقنيات الامتصاص أو الامتزاز، حيث يتم تحقيق إطلاق الهيدروجين الجزيئي عادةً من خلال التحلل الحراري أو التحفيزي. لقد حفزت هذه الطريقة في تخزين الهيدروجين أبحاثًا واسعة النطاق لتصميم كل من المحفزات المتجانسة وغير المتجانسة لتعزيز توليد الهيدروجين.

على الرغم من التقدم الكبير في الأطر الحسابية والمنهجيات النظرية، إلا أن التقدم قد تم تقييده بالطبيعة التجريبية والتسلسلية للعمل التجريبي. ومع ذلك، فإن الخطوات الأخيرة في الأدوات النظرية مثل نظرية الوظائف الكثافة (DFT)، والفحص عالي الإنتاجية، وتوقع بنية البلورات، والنهج الناشئة في التعلم الآلي تعيد تشكيل المشهد. هذه الابتكارات في الكيمياء الحاسوبية، ومعلومات البيانات، والتعلم الآلي هي عوامل مساعدة، قد تسرع من الحركيات في تطوير الصناعات المتعلقة بالطاقة.

الهدف من هذه المراجعة هو تقديم نظرة عامة على التقدمات الحديثة في مواد وتقنيات تخزين الهيدروجين. تهدف إلى التأكيد على أهمية التخزين الفعال لتعظيم إمكانيات الهيدروجين كمصدر طاقة نظيف ومستدام. تناقش المراجعة تقنيات تخزين الهيدروجين المختلفة القائمة على المواد والفيزياء، وتستكشف اعتبارات التصميم لمواد تخزين الهيدروجين، وتبرز دور الكيمياء الحاسوبية، والفحص عالي الإنتاجية، وتقنيات التعلم الآلي في تطوير مواد تخزين فعالة. الهدف النهائي هو عرض إمكانيات تخزين الهيدروجين في تلبية الطلبات الطاقية، وتقليل انبعاثات غازات الدفيئة، ودفع الابتكار في الطاقة النظيفة.

لقد حظي الهيدروجين باهتمام كبير كحامل طاقة واعد لديه القدرة على دفع مستقبل مستدام، وذلك بفضل كثافته العالية من الطاقة على أساس الوزن. ومع ذلك، فإن كثافته المنخفضة من الطاقة حجميًا تمثل تحديًا كبيرًا للتخزين الفعال والآمن. إلى
لمعالجة هذه القضية، تم تطوير تقنيات تخزين فيزيائية مختلفة للهيدروجين. تشمل هذه الطرق، التي تتضمن تقنيات الضغط والتسييل، إما بشكل فردي أو مجتمعة، حلولاً مبتكرة لتخزين الهيدروجين في أشكال كثيفة ومستقرة. تلعب هذه التقنيات دورًا محوريًا في التغلب على القيود المرتبطة بخفة وزن الهيدروجين وطبيعته الغازية، مما يمكّن من نقله واستخدامه بكفاءة عبر تطبيقات متنوعة. إنها تمثل بوابة لفتح إمكانيات الهيدروجين كحامل للطاقة النظيفة، مع تطبيقات تمتد إلى مركبات خلايا الوقود والعمليات الصناعية. الشكل 1 يقدم نظرة عامة موجزة عن تقنيات تخزين الهيدروجين المختلفة.

في ضوء ذلك، يتضح أن تقنيات التخزين الفيزيائي للهيدروجين تعتبر جزءًا أساسيًا من الاعتماد الواسع واستخدام الهيدروجين في تحقيق مستقبل طاقة نظيف ومستدام. فهي تمكّن من استغلال الكثافة العالية للطاقة للهيدروجين وإمكانيته في توليد الطاقة الخالية من الانبعاثات. في هذه الدراسة، سنتعمق في عالم تقنيات التخزين الفيزيائي للهيدروجين، مستعرضين المبادئ والمزايا والقيود لهذه الحلول المبتكرة التي تلعب دورًا محوريًا في استغلال إمكانيات الهيدروجين كمصدر للطاقة النظيفة.

تقنية الهيدروجين المضغوط، وهي طريقة راسخة لتخزين غاز الهيدروجين، تُعتبر جانبًا حاسمًا في تطبيقات النقل، لا سيما في سياق سيارات خلايا الوقود. تتضمن هذه الطريقة ضغط غاز الهيدروجين جسديًا في حاويات أو خزانات ضغط، وهذه الخزانات مصممة خصيصًا لتحمل الضغوط العالية، التي تصل غالبًا إلى 35 ميجا باسكال (350 بار) وحتى 70 ميجا باسكال (700 بار) مع ضمان السلامة. بينما توفر الضغوط الأعلى ميزة زيادة كثافة الطاقة، فإنها أيضًا تقدم تحديات في التصميم والمواد لهذه الخزانات، مما يتطلب اعتبارًا متوازنًا لكل من جوانبها الإيجابية والتحديات. من الجانب الإيجابي، تتميز هذه التقنية بنضوجها، حيث إن تقنية ضغط غاز الهيدروجين راسخة ومفهومة بشكل شامل. بالإضافة إلى ذلك، توفر إمكانية إعادة التزود بالوقود بسرعة، مما قد يتطابق مع سرعة إعادة تزويد البنزين مع تطوير البنية التحتية المناسبة. علاوة على ذلك، يتمتع الهيدروجين المضغوط بسجل أمان قوي، حيث أثبت موثوقيته في تطبيقات متنوعة تحت القوانين والتقنيات الحالية.

ومع ذلك، فإن الطريقة ليست خالية من التحديات. أولاً، تتطلب طاقة كبيرة لعملية الضغط، مما يقلل من الكفاءة العامة للهيدروجين كحامل للطاقة. ثانياً، على الرغم من خفة طبيعة الهيدروجين المخزن، إلا أن الخزانات نفسها، خاصة تلك المصممة للضغوط العالية، يمكن أن تكون ثقيلة جداً. من حيث سعة التخزين الحجمية، توفر التقنية حوالي و عند 350 و700 بار، على التوالي، في درجة حرارة الغرفة [27]، والتي يمكن أن تكون عاملًا محددًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنشاء بنية تحتية قوية لتخزين وتوزيع الهيدروجين المضغوط يمثل تحديًا كبيرًا. يتطلب ذلك تطوير شبكة واسعة من محطات إعادة التزود بالوقود، والأنابيب، ومرافق التخزين لدعم الطلب على الهيدروجين المضغوط. تشكل تكلفة وتعقيد بناء هذه البنية التحتية عوائق أمام اعتمادها على نطاق واسع [28]. أخيرًا، يمكن أن تكون تكلفة الخزانات، خاصة تلك المصنوعة من مواد مثل ألياف الكربون، مرتفعة بشكل ملحوظ. في مجال تخزين الهيدروجين، هناك أنواع مختلفة من الأوعية مصنفة إلى أربع فئات متميزة.

تُصنع أسطوانات النوع الأول من الفولاذ غير الملحوم، مما يسمح لها بتخزين الهيدروجين تحت ضغوط عالية. ومع ذلك، فإنها تميل إلى أن تكون ثقيلة ولها كثافة تخزين طاقة أقل من أنواع الأسطوانات الأخرى. ضغطها الأقصى هو 20 ميجا باسكال، وسعة التخزين الوزن لديها فقط تتميز أسطوانات النوع الثاني بوجود بطانة فولاذية معززة بلفائف مركبة، مما يجعلها أخف وزناً وأكثر كفاءة من النوع الأول. ومع ذلك، فإن تكلفتها الإنتاجية أعلى [30]. يمكن استخدام أسطوانات النوع الثاني عند ضغوط تصل إلى 30 ميغاباسكال وهي مناسبة للتطبيقات الصناعية بدلاً من التطبيقات على متن المركبات، مثل السيارات.

تعتبر الأسطوانات من النوع الثالث حاويات عالية الضغط تحتوي على بطانة من الألمنيوم بدون لحامات محاطة بالكامل بطبقات من المواد المركبة. يقلل هذا التصميم من وزنها مقارنة بأسطوانات النوع الأول والنوع الثاني مع الحفاظ على قدرات الضغط العالي. ومع ذلك، فإن لديها موصلية حرارية منخفضة، مما قد لا يكون مثالياً للتطبيقات التي تتطلب تبديد الحرارة بكفاءة أثناء ضغط الهيدروجين. يمكن لأسطوانات النوع الثالث تخزين الهيدروجين عند ضغوط تصل إلى 70 ميغاباسكال. أخيراً، تحتوي أسطوانات النوع الرابع على بطانة بلاستيكية مغطاة بالكامل بالمواد المركبة، مما يجعلها الأخف وزناً بين جميع أسطوانات تخزين الهيدروجين عالية الضغط. ومع ذلك، فإن تغليفها الشامل يؤدي إلى زيادة تكاليف الإنتاج. يمكن لأسطوانات النوع الرابع تخزين الهيدروجين عند ضغوط تصل إلى 70 ميغاباسكال. كل نوع من الأسطوانات له مجموعة من المزايا والقيود الخاصة به، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات بناءً على المتطلبات والاعتبارات المحددة.

تخزين الهيدروجين السائل يتطلب الحفاظ على غاز الهيدروجين في حالته السائلة عند درجات حرارة منخفضة للغاية، وهي عملية ضرورية للتخفيف من القيود المرتبطة بكثافة الطاقة المنخفضة inherent المرتبطة بتخزين الهيدروجين الغازي [33]. لتسييل الهيدروجين، يجب تعريضه لدرجات حرارة منخفضة للغاية، عادة ما يتم الحفاظ عليها تحت درجة حرارة أقل بكثير من نقطة حرارتها الحرجة البالغة 33 كلفن [26]. تتطلب هذه العملية المعقدة مراحل ضغط وتوسع متتالية، حيث يتم استخدام معدات مثل الضواغط، والمبادلات الحرارية، والتوربينات التوسعية لتحقيق والحفاظ على الظروف الكريوجينية المطلوبة. بعد ذلك، يتم احتواء الهيدروجين السائل بشكل آمن داخل خزانات كريوجينية مصممة بدقة لتحمل البرودة الشديدة ومنع التبخر، وهو ظاهرة تتميز بالتبخر التدريجي للهيدروجين السائل المخزن، مما يؤدي إلى زيادة الضغط داخل وعاء التخزين. نقل الهيدروجين السائل
يمكن تسهيل نقل الهيدروجين من خلال أنابيب كريوجينية مخصصة أو صهاريج طرق متخصصة مزودة بأنظمة تخزين كريوجينية. علاوة على ذلك، تشمل الاتجاهات العالمية الناشئة النقل البحري للهيدروجين المسال داخل حاويات مخصصة على السفن.

في تحليل شامل، يمكننا تحديد المزايا والعيوب الملحوظة لتخزين الهيدروجين السائل. من الناحية الإيجابية، يوفر الهيدروجين السائل كثافة طاقة مرتفعة بشكل ملحوظ مقارنة بالهيدروجين الغازي، مما يجعله مناسبًا للغاية للتخزين الطويل الأمد والنقل لمسافات طويلة للهيدروجين. علاوة على ذلك، فإن التكنولوجيا التي تدعم تسييل الهيدروجين وتخزينه متجذرة بعمق ولها تاريخ طويل من التطبيق العملي، خاصة في مجال الفضاء. من ناحية أخرى، فإن الكثافة الطاقية العالية لعملية تسييل الهيدروجين تتطلب طلبًا هائلًا على الطاقة، مما يستلزم إدخال كمية كبيرة من موارد الطاقة لتحقيق والحفاظ على الظروف المبردة اللازمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنشاء البنية التحتية اللازمة للاعتماد الواسع على تخزين الهيدروجين السائل يمثل تحديًا كبيرًا، ناتجًا عن المواصفات الدقيقة التي تحكم التخزين والنقل، والتي تتطلب نشر مرافق ومعدات متخصصة لتلبية هذه المتطلبات الصارمة.

تخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد هو نموذج مبتكر يدمج بشكل متكامل مبادئ التخزين بالتبريد والتخزين الغازي عالي الضغط، مع هدف رئيسي يتمثل في تحسين التحديات الجوهرية التي تطرحها كلتا الطريقتين عند استخدامهما بشكل منفصل. تشمل هذه التحديات جوانب مثل متطلبات التخزين الكبيرة واشتراطات الضغط المرتفعة.
تخزين الغاز تحت ضغط عالٍ التقليدي، جنبًا إلى جنب مع الفقدان الحتمي الناتج عن التبخر الذي يتم مواجهته في نموذج تخزين الهيدروجين المبرد. الهدف الرئيسي من هذا النهج هو تحسين حلول تخزين الهيدروجين عبر تطبيقات متنوعة، مع تركيز ملحوظ على قطاع السيارات.

تعمل تخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد عن طريق الحفاظ على الهيدروجين عند درجات حرارة منخفضة للغاية، على الرغم من أن الضغوط تتجاوز تلك التي يتم مواجهتها في أنظمة تخزين الهيدروجين السائل التقليدية. يتراوح نطاق درجات الحرارة التشغيلية عادةً بين 20 و 70 كلفن، ويمكن أن تصل الضغوط إلى 35 ميغاباسكال. ومن الجدير بالذكر أن هذه الطريقة تقدم سعة تخزين حجمية محسّنة، تصل إلى ، على عكس تقريباً يمكن تحقيق ذلك في حالة تخزين الهيدروجين المسال [26]. إن حاويات التخزين المرتبطة بهذه التقنية هي هياكل معقدة تتطلب مواد تتمتع بالقدرة على تحمل ظروف الضغط العالي ودرجات الحرارة المنخفضة للغاية. عادةً ما تُصنع هذه الخزانات من مواد مركبة مدعمة بألياف الكربون لضمان القوة الهيكلية [29]. يعد تخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد حلاً مبتكرًا يعالج التحديات الرئيسية في مجال تخزين الهيدروجين.

على غرار منهجيات تخزين الهيدروجين السابقة، يظهر تخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد طيفًا من الصفات الإيجابية والسلبية. من الناحية الإيجابية، فإنه يوفر كثافة طاقة أعلى من حيث الوزن والحجم عند مقارنته بأنظمة التخزين بالتبريد المنفصل والضغط العالي. جانب الأمان هو جانب إيجابي آخر، حيث تحدث العملية في درجات حرارة تجعل الهيدروجين أقل تفاعلاً.

ومع ذلك، فإن نموذج تخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد ليس خالياً من التحديات. تعتبر التعقيدات التكنولوجية مصدر قلق بارز، حيث إن تطوير نظام قادر على تخزين الهيدروجين بشكل آمن وفعال تحت الظروف القاسية من الضغط العالي ودرجات الحرارة المنخفضة يتطلب حلولاً هندسية معقدة. علاوة على ذلك، فإن البنية التحتية اللازمة لتخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد لا تزال قيد التطوير، مليئة بالعديد من التحديات التي تشمل البحث عن مواد قادرة على تحمل ظروف التشغيل القصوى وصياغة أنظمة تبريد فعالة.

من المهم أن نلاحظ أن تكلفة كل تقنية تخزين تعتمد على عوامل مختلفة، بما في ذلك حجم النظام، والمواد المستخدمة، وعمليات التصنيع، وطلب السوق. بشكل عام، تتكبد تخزين الهيدروجين المضغوط تكاليف رأسمالية أقل مقارنة بالطرق الأخرى، بينما يمكن أن يكون تخزين الهيدروجين المسال أكثر تكلفة بسبب الحاجة إلى بنية تحتية للتبريد. يوفر تخزين الهيدروجين المضغوط بالتبريد، الذي يقع بين الاثنين من حيث التكلفة، حلاً وسطًا. تهدف جهود البحث والتطوير المستمرة إلى تقليل التكاليف وتحسين كفاءة جميع تقنيات التخزين، مما يعزز الجدوى الاقتصادية للهيدروجين كحامل للطاقة.

لتلخيص ذلك، فإن هذه الأساليب الثلاثة المميزة لتخزين الهيدروجين تحمل كل منها دورًا محوريًا في مجال تكنولوجيا الهيدروجين، حيث تتمتع كل منها بدرجات متفاوتة من الكفاءة واعتبارات السلامة وجاهزية التكنولوجيا. إن الجهود البحثية المستمرة ضرورية للتعامل مع التحديات الجوهرية المرتبطة بكل طريقة، مما يسهم في تقدم حدود تكنولوجيا تخزين ونقل الهيدروجين.

النمط الكيميائي، المعروف أيضًا باسم تخزين الهيدروجين القائم على المواد، يمثل نهجًا أكثر تنظيمًا لتخزين الهيدروجين. في هذه التقنية، يتم امتصاص الهيدروجين كيميائيًا أو فيزيائيًا على مادة مضيفة، ثم يتم إطلاقه حسب الحاجة. تت governed التفاعل بين سطح المادة المضيفة (الممتص) وغاز الهيدروجين (الممتص) بواسطة قوى المجال، التي تلعب دورًا أساسيًا في الاحتفاظ بالهيدروجين بالقرب من المضيف. تعالج هذه الطريقة بعض القيود المتعلقة بتقنيات التخزين الفيزيائي، مما يلغي الحاجة إلى أوعية ضغط معقدة وثقيلة. كما أنها تسمح بإطلاق الهيدروجين بشكل متحكم فيه عند درجات حرارة محددة، مما يعزز السلامة.

مجموعة من المواد، بما في ذلك هيدريدات المعادن [42]، معقدة
تم استكشاف الهيدريدات [43]، المركبات القائمة على الأمونيا [44]، المواد الكربونية، الأطر العضوية المعدنية [45]، الأطر العضوية التساهمية [46]، الكلاترات [47]، وغيرها من المواد الحيوية والمواد المسامية [48] لتخزين الهيدروجين الكيميائي. على سبيل المثال، تشكل الهيدريدات المعدنية روابط قوية بين المعدن والهيدروجين، مما يمكّن من امتصاص الهيدروجين وإطلاقه من خلال التسخين أو التحفيز [49]. من ناحية أخرى، تُعرف الهيدريدات المعقدة بأنها مركبات متعددة العناصر معروفة بسعات التخزين الكبيرة عبر العمليات الكيميائية [50]. كل مادة لها نقاط قوتها وقيودها الفريدة بناءً على عوامل مختلفة [51]. لا يوجد مادة تخزين هيدروجين مثالية عالمياً؛ يعتمد الاختيار على سعة تخزين الهيدروجين، وظروف التشغيل، والديناميكا الحرارية، والحركية، والاستقرار، والعكسية، والتوافر، والتكلفة، والأثر البيئي. ستتناول الأقسام التالية التقدم في المواد المختارة لتخزين الهيدروجين الكيميائي.

بالإضافة إلى ذلك، توفر حوامل الهيدروجين العضوية السائلة (LOHCs) خيارًا بديلاً لتخزين الهيدروجين. في أنظمة LOHC، يتم ربط الهيدروجين بـ -أيونات رقيقة، ويتم استخدام عملية إزالة الهيدروجين الحفزية للإفراج. تقدم هذه الأنظمة بساطة في التشغيل، وصداقة للبيئة أثناء التخزين والإفراج، وإمكانية إعادة استخدام الناقل السائل، الذي لا يسبب التآكل وغير سام ويتم تخزينه تحت ضغط منخفض. ومع ذلك، فإن المواد الحاملة للهيدروجين لديها قدرة محدودة على تخزين الهيدروجين، حيث أن القيمة القصوى المسجلة هي ، مما يقيّد استخدامها على نطاق واسع [52].

تشمل الامتصاص الكيميائي الربط التساهمي للهيدروجين مع مادة مضيفة، مما يؤدي إلى تفكيك جزيئات الهيدروجين إلى شكل ذري بسبب إنثالبي الربط القوي. يتم تفكيك المركبات التي تحتوي على الهيدروجين إلى ذرات ودمجها في الهيكل الجزيئي لمادة الحفاز أثناء الامتصاص الكيميائي. تعتبر هيدريدات المعادن فئة بارزة بين المواد المناسبة للامتصاص الكيميائي. على الرغم من مزاياها، مثل القدرة على تخزين الهيدروجين تحت ظروف طبيعية وعمليات صديقة للبيئة، تواجه الامتصاص الكيميائي تحديات مثل التكلفة العالية، والوزن، ودرجة الحرارة التشغيلية، بالإضافة إلى الحاجة إلى تحسين حركية الشحن والتفريغ وإدارة إنتاج الغازات غير المرغوب فيها أثناء إزالة الامتصاص.
2.2.1.1. هيدريدات المعادن. هيدريدات المعادن، وهي فئة من المواد المكونة من المعدن والهيدروجين، قد حظيت باهتمام كبير مؤخرًا بسبب قدرتها الكبيرة على تخزين الهيدروجين، مما يجعلها واعدة لأنظمة الطاقة المعتمدة على الهيدروجين. إن خصائصها، بما في ذلك كثافة الطاقة العالية، والتكلفة المنخفضة نسبيًا، وصداقة البيئة، تجعلها جذابة للتطبيقات التي تشمل الإلكترونيات المحمولة، والمركبات الكهربائية، وأنظمة الطاقة المتجددة. ومع ذلك، فإن تقدمها في تخزين الهيدروجين يواجه عقبات كبيرة، لا سيما تحديد المواد ذات القدرة العالية على تخزين الهيدروجين مع الحفاظ على الاستقرار والسلامة والجدوى الاقتصادية [55].

تخضع مجموعة متنوعة من الهيدريدات المعدنية، مثل تلك المشتقة من المغنيسيوم والألمنيوم والتيتانيوم، لتمحيص الباحثين الذين يسعون لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه. تعتمد أداء الهيدريدات المعدنية على عدة عوامل، بما في ذلك اختيار المعدن، وحجم وشكل جزيئات الهيدريد، ونقاء المادة، ووجود الشوائب. تتشكل هذه المواد من خلال تفاعلات كيميائية عكسية حيث تمتص بعض المعادن أو السبائك الهيدروجين، مما يؤدي إلى كثافة عالية من الهيدروجين الحجمي وقدرات التخزين. تركز الجهود البحثية المستمرة على تصنيع هيدريدات معدنية فعالة لتخزين الهيدروجين، قادرة على تخزين الهيدروجين بشكل آمن وكثيف من خلال توسيع الشبكة المعدنية أثناء الامتصاص وانكماشها أثناء الإطلاق. ومع ذلك، فإن تحقيق سعات امتصاص وإطلاق الهيدروجين المثلى عند درجات حرارة وضغوط مناسبة يمثل تحديًا.

تحتوي الهيدريدات المعدنية عمومًا على سعة تخزين الهيدروجين تبلغ حوالي من وزنهم، الذي يمكن أن يزيد إلى مع التسخين النشط لإزالة الهيدروجين. بينما يمكن لخزانات الهيدريد المعدني تخزين وإطلاق الهيدروجين بشكل متكرر، فإن سعتها التخزينية هي
مقيد بتراكم الشوائب داخل الخزانات، التي تسد المساحات التي يتم عادةً تخزين الهيدروجين فيها، مما يقلل من سعة الخزان. كمية الحرارة المنقولة، والهيدروجين الممتص، والهيدروجين المنفصل في هيدريد معدني قابل للعكس يعمل في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي تعتمد عمومًا على سبيكة المعدن المستخدمة لتخزين الهيدروجين. نموذج مبسط يوضح كيفية تخزين الهيدروجين وامتصاصه في هيدريد معدني موضح في الشكل 2.
2.2.1.1.1. هيدريد المغنيسيوم ( هيدريد المغنيسيوم ( ) يعرض قياسات جاذبية ملحوظة ( ) وحجمي ( كثافات الهيدروجين بسبب طبيعته غير القابلة للنضوب، وتكلفته الفعالة، وخفته، وثباته الكيميائي العالي [57]. ومع ذلك، فإن هناك عقبة رئيسية مرتبطة بـ يتعلق باستقراره الحراري القوي، لا سيما القوة الهائلة رابطة ( )، مما يعيق إطلاق الهيدروجين. وبالتالي، فإن تحقيق امتصاص/إطلاق الهيدروجين بشكل فعال مع عند الضغط الجوي يتطلب درجات حرارة مرتفعة بشكل معتدل على الرغم من الفوائد المذكورة أعلاه، هناك تحديات مرتبطة باستخدامه العملي، بما في ذلك الاستقرار الديناميكي الحراري العالي، والحركيات البطيئة، ودرجات الحرارة العالية للتشغيل. تم استكشاف استراتيجيات التعديل، مثل إضافة المحفزات وتشكيل النانو عن طريق تقليل حجم الجسيمات، لتحسين حركيته وتقليل درجات حرارة التشغيل. لتوضيح تأثير تشكيل النانو بشكل أكبر، فإن المساحة السطحية المنخفضة لمغنيسيوم الكتلة تؤدي إلى معدل منخفض لتفكك الهيدروجين على سطح المغنيسيوم. وبالتالي، يمكن أن تؤدي أحجام الجسيمات الصغيرة والمساحات السطحية الكبيرة للهياكل النانوية المصنوعة باستخدام الطحن الكروي الميكانيكي، والاحتجاز النانوي إلى تقصير مسارات انتشار الهيدروجين وزيادة حركية امتصاص وتحرير الهيدروجين.

تماشيًا مع تقنية طحن الكرات المذكورة أعلاه، أظهرت دراسة حديثة [62] أن حوالي الهيدروجين عند 523 كلفن يتطلب الامتصاص والإطلاق على فترات زمنية تبلغ 20 دقيقة و50 دقيقة تحت ضغوط تبلغ واحد وصفر ميغاباسكال، على التوالي، باستخدام الطحن الكروي التفاعلي لمسحوق المغنيسيوم تحت ضغط عالٍ من غاز الهيدروجين لمدة 25 ساعة. ومع ذلك، فإن تجمع الجسيمات النانوية المطحونة كروياً خلال الدورات المتعاقبة لإطلاق وامتصاص الهيدروجين قد يؤدي إلى تدهور سعة تخزين الهيدروجين القابلة للعكس. لذلك، يعتبر تطبيق الهياكل النانوية استراتيجية جيدة لتجنب الجسيمات النانوية.
التجمع. تم استخدام هذه الاستراتيجية في تحقيق حديث [64]، حيث تم استخدام هيكل نانوي ثلاثي الأبعاد من الكربون المنشط المسامي المعدل بـ Ni و Fe لعملية النقع لتحقيق سعة تخزين هيدروجين عالية تبلغ حوالي عند 453 كلفن و 1 ميغاباسكال في 5 دقائق فقط مع درجة عالية من الاستقرار.

بشكل عام، تعتبر إزالة الهيدروجين من هيدريد المغنيسيوم عملية ماصة للحرارة، مما يشير إلى أنها تتطلب إدخال طاقة للتسبب في كسر الروابط وإطلاق الهيدروجين المخزن. يمكن وصف حاجز الطاقة لهذه العملية بواسطة طاقة التنشيط اللازمة لبدء تفاعل إزالة الهيدروجين. تتراوح طاقة التنشيط هذه عادةً من 150 إلى لإزالة الهيدروجين من هيدريد المغنيسيوم. في تجربة حديثة أجراها مينغ وآخرون [65]، انخفضت طاقة التنشيط إلى 78 عن طريق تحفيز التفاعل باستخدام الميكروسفيرات في درجة حرارة الغرفة بسعة قابلة للعكس مستقرة للهيدريد المغنيسيوم لعشر دورات. بالتزامن مع تحسين الأداء واستقرار الهيدريد المغنيسيوم، وجد وانغ وآخرون [59] أن تم الإفراج عنه في 10 دقائق عند 573 كلفن وبدأ في الامتصاص عند 313 كلفن باستخدام سبيكة من معادن مختلفة، بما في ذلك ، و Ni. بالإضافة إلى ذلك، تم الحفاظ على حجم تخزين الهيدروجين في نفس الدراسة بعد عشرين دورة عند 573 كلفن.
2.2.1.1.2. هيدريد الليثيوم (LiH). يُعتبر هيدريد الليثيوم (LiH) واحدًا من أخف هيدريدات المعادن على الإطلاق، وله سعة تخزين هيدروجين جاذبية عالية تصل إلى حوالي [66] ولكنه يتطلب درجات حرارة عالية ( ” ) وضغوط امتصاص الهيدروجين وإطلاقه. تواجه التطبيقات العملية للهيدريد الليثيوم تحديات مستمرة من حيث الحركية والعكسية. واحدة من العقبات الرئيسية هي طاقته العالية للتكوين ( -90.5 ) ومتطلبات درجة حرارة تفريغ عالية ( علاوة على ذلك، يتفاعل LiH بسهولة مع الرطوبة، مما يؤدي إلى التكوين غير القابل للعكس لطبقات تآكل سطحية، مثل أكسيد الليثيوم وهيدروكسيد الليثيوم. على الرغم من هذه التحديات، يُعتبر التحلل المائي المنضبط لـ LiH تحت رطوبة نسبية منخفضة طريقة فعالة لتوليد الهيدروجين، خاصةً من أجل التنقل.

تم استكشاف استراتيجيات متنوعة للتخفيف من القضايا الديناميكية الحرارية المرتبطة بـ LiH. على سبيل المثال، تم استخدام الطحن الميكانيكي لتقليل الاستقرار الديناميكي الحراري لمزيج هيدريد الليثيوم والسيليكون، مما يتيح تخزين الهيدروجين عند 763

K [69]. بالمثل، أظهر خلط LiH مع الجرمانيوم القدرة على تقليل استقرار النظام وتخزين الهيدروجين عند 673 كلفن [70،71]. في دراسة أخرى، قام لي وانغ وزملاؤه [72] بتخليق جزيئات نانوية من LiH عبر الهدرجة الحفزية لـ Li، كاشفين أن هذه الجزيئات النانوية، بمجرد تغليفها بـ Ni، يمكن أن تطلق الهيدروجين من 373 كلفن. علاوة على ذلك، قام بلوانغفون وآخرون [73] بالتحقيق في تركيبات عن طريق خلط أيونات الصوديوم والليثيوم تحت ضغط عالٍ، باستخدام تقنيات البحث العشوائي عن البنية من أولياتها وتوسيع الكتل. أظهرت نتائجهم أن الضغط العالي يعزز الاستقرار الهيكلي لـ ، و المركبات، كما تم تأكيده من خلال حسابات الفونونات والثوابت المرنة.

الكربون هو مضاف شائع تم استخدامه سابقًا لتعزيز الامتصاص/الإطلاق للهيدروجين عند درجة حرارة أقل من 473 كلفن [74]. علاوة على ذلك، هناك استراتيجية جديدة لتحفيز عيوب الفراغ في هيكل LiH من خلال تغيير تركيز هذه العيوب من 1 إلى تم التحقيق فيه مؤخرًا جدًا من قبل باهو وآخرين [68] في عام 2023. ونتيجة لذلك، وجدوا أن سعة تخزين الهيدروجين الجاذبي زادت من إلى عند الاستخدام فراغات الليثيوم.
2.2.1.1.3. ألانيت الصوديوم ( ). الألانيت الصوديوم هو هيدريد معدني معقد يمكنه تخزين الهيدروجين بشكل عكسي. لديه سعة وزن نسبية عالية (تصل إلى ومع ذلك، يتطلب درجات حرارة عالية لإطلاق الهيدروجين وغالبًا ما يعاني من محدودية القابلية للعكس والاستقرار. يخضع ألانيت الصوديوم للتحلل لإطلاق الهيدروجين من خلال سلسلة من ثلاث خطوات متتالية، كما هو موضح في التفاعلات التالية [75]:

من الجدير بالذكر أن الخطوة النهائية تحدث عند درجات حرارة تتجاوز 673 كلفن. وبالتالي، يتم تحقيق محتوى الهيدروجين العملي بشكل أساسي من خلال التفاعلين الأولين، اللذين يحدثان عند درجات حرارة تقل عن 498 كلفن، مما يوفر سعة تخزين الهيدروجين لـ ومع ذلك، فإن درجة حرارة الإزالة المرتفعة والقدرة المحدودة على العكس تحد من فائدتها العملية.

لقد لوحظ أن إضافة مركبات المعادن الانتقالية يمكن أن تخفض درجات حرارة التفاعل، مما يسهل إطلاق الهيدروجين عند درجات حرارة منخفضة، ويعزز حركية التفاعل، ويحسن القابلية للعكس. في هذا الصدد، قام رين وآخرون بإنتاج هيدريد التيتانيوم على شكل ألواح نانوية مدعومة على الجرافين، مما أدى إلى إزالة الهيدروجين بالكامل من ألانيت الصوديوم عند 353 كلفن وإعادة الهيدروجين عند 303 كلفن تحت بسعة هيدروجين قابلة للعكس قدرها . بالإضافة إلى ذلك، تم التحقيق في مواد أخرى، مثل المواد النانوية الكربونية، كمرشحات محتملة [78،79].
2.2.1.1.4. بوران الأمونيوم ( ). الأمونيا بوران، مركب كيميائي يتم تصنيعه تحت ظروف تشغيل معتدلة، يتميز بمحتوى هيدروجيني نظري ملحوظ من [80]. يعتبر هذا المركب مصدراً للهيدروجين من خلال عمليات حرارية أو كيميائية، مما يجعله مناسباً للتطبيقات المحمولة. يعتبر البوران الأمونيوم موضوعاً للبحث المكثف بسبب استقراره المثير للإعجاب وخصائصه غير السامة. تم استخدام طرق مختلفة تقليدياً لتحرير الهيدروجين المخزن من البوران الأمونيوم، حيث تعتبر إزالة الهيدروجين الحراري خياراً بارزاً.

يتضمن إزالة الهيدروجين الحراري تطبيق درجات حرارة مرتفعة لبدء إطلاق الهيدروجين، وغالبًا ما يتطلب درجات حرارة تتجاوز 373 كلفن، مما يؤدي إلى قطع الـ و الروابط داخل المركب وإطلاق غاز الهيدروجين [81]. على الرغم من أن هذه الطريقة بسيطة من الناحية المفاهيمية، إلا أنها غالبًا ما تتطلب استخدام درجات حرارة مرتفعة نسبيًا وقد تظهر حركية بطيئة.

طريقة بديلة، قد تكون أكثر كفاءة لإنتاج الهيدروجين
إطلاق الأمونيا من البوران يتضمن التحلل المائي. يظهر البوران الأموني مقاومة ملحوظة للتحلل المائي في المحاليل المائية، مما يتطلب وجود محفز فعال لتحفيز إزالة الهيدروجين التحليلية عند درجات حرارة محيطة. يظهر التحلل المائي المحفز بالمعادن كخيار قابل للتطبيق، مما يوفر إطلاق كمية كبيرة من الهيدروجين. ) من الهيدروجين تحت ظروف معتدلة [82]. توفر جزيئات المعادن النانوية غير المستقرة حرارياً طريقاً آخر، يمكن تثبيتها كينتيكياً ضد التكتل إما من خلال مواد الدعم الصلبة التي تتميز بمساحات سطحية واسعة أو عبر استخدام الروابط في المحلول. بينما تُظهر تشتت جزيئات المعادن النانوية المحتفظ بها في الطور السائل بواسطة الأنيونات أو البوليمرات كفاءة محسّنة في إطلاق الهيدروجين بسبب وجود مواقع أكثر نشاطاً، من المهم ملاحظة أن جزيئات المعادن النانوية المدعومة على المواد الصلبة تميل إلى أن تكون أقل عرضة للتجمع، مما يضمن عمرًا أطول مقارنة بتلك المشتتة في المحاليل [83]. في ضوء هذه الاعتبارات، يتضح أنه لا يوجد مادة مثالية عالمياً لتخزين الهيدروجين، حيث يقدم كل مادة طيفاً فريداً من المزايا والقيود.
2.2.1.1.5. نيتريدات المعادن بما في ذلك الأميدات ) والأيميدات ( تشكل الأميدات والأيميدات المعدنية، مثل أميدات وأيميدات الليثيوم والمغنيسيوم، نوعًا من الهيدريدات المعقدة التي يمكن أن تظهر سعات تخزين الهيدروجين الوزني في نطاق يقارب ، وحتى أعلى في بعض الحالات [84]. تمثل صيغ هذه الأميدات والأيميدات المعدنية بالحروف و م على التوالي. تعتمد السعة المحددة على المعدن، وتركيب المركب، والظروف التي يحدث فيها امتصاص الهيدروجين. تشير التقارير إلى أن الأميدات والأيميدات المعدنية لديها كفاءة إطلاق الهيدروجين تتراوح من إلى ومع ذلك، يجب ملاحظة أن الحصول على محتوى عالٍ من تخزين الهيدروجين وكفاءة عالية في الإطلاق عند درجات حرارة منخفضة يتطلب وجود مادة حفازة. بالإضافة إلى ذلك، تخضع الأميدات والإيميدات لتفاعل إزالة الهيدروجين الذي يتم فيه إنتاج الأمونيا. وبالتالي، فإن إنتاج هذه الأمونيا يستهلك الهيدروجين، ويؤدي إلى تسمم الحفاز، ويسبب ضررًا لخلية الوقود.

مقالة نُشرت مؤخرًا أجراها تش وآخرون [85] بحثت في التأثير الحفزي لـ في تعزيز كفاءة امتصاص وإطلاق الهيدروجين لمركب ليثيوم-مغنيسيوم إيميد ) نظام باستخدام ثلاثة نسب مختلفة من المحفزات ( 5، 10، و 15 من بين النسب الثلاثة، أظهرت أفضل أداء من خلال زيادة كفاءة امتصاص الهيدروجين من استخدام الهيدريد النقي لـ ، وكفاءة الإزالة تقريبًا من إلى عند 523 كلفن وصفر ميغاباسكال. علاوة على ذلك، تم تقليل طاقة تنشيط إزالة الهيدروجين من إلى عند الاستخدام .

تشمل الامتصاص الفيزيائي التعلق الفيزيائي لجزيئات الهيدروجين على سطح مادة ماصة من خلال قوى فان der Waals الضعيفة، والتي تتميز عادةً بطاقة ربط تتراوح بين 10 إلى 100 ميلي إلكترون فولت. تحدث هذه العملية بسرعة عند درجات حرارة تشغيل منخفضة ولا تتضمن أي تفاعلات كيميائية. تشمل المواد المناسبة للامتصاص الفيزيائي تلك التي تتمتع بمساحات سطحية كبيرة وهياكل مسامية، مثل الكربون المنشط، والهياكل العضوية المعدنية المسامية (MOFs)، والهياكل العضوية التساهمية (COFs)، والهياكل العطرية المسامية (PAFs)، والبوليمرات العضوية المسامية.

يسهل استخدام المواد الماصة المسامية تكثيف الهيدروجين حجميًا دون فرض تغييرات كبيرة على الخصائص الديناميكية الحرارية أو الحركية للتخزين عند الضغوط المرتفعة. يكون هذا التأثير ملحوظًا بشكل خاص عند درجات الحرارة المنخفضة، حيث تظهر العديد من المواد الماصة التقليدية والمبتكرة تكثيفًا كبيرًا للهيدروجين عند 77 كلفن، وهو ما يتوافق مع نقطة الغليان العادية للنيتروجين السائل، وهو مبرد متاح بسهولة. في البداية، تم التركيز على تقييم سعات تخزين الهيدروجين الوزنية للمواد الماصة للمقارنة مع مفاهيم التخزين البديلة في الحالات السائلة والصلبة؛ ومع ذلك، تم تحويل الانتباه مؤخرًا.
نحو تحسين الخصائص الحجمية [88].
2.2.2.1. الكربون المنشط ومواد الكربون النانوية. سعة تخزين الهيدروجين للكربون المنشط عادة ما تكون حوالي عند درجة حرارة الغرفة وضغوط معتدلة، والتي تكون أقل من تلك الخاصة بالمواد المتقدمة مثل هيدريدات المعادن. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون كفاءة إزالة الهيدروجين من الكربون المنشط محدودة أيضًا حيث غالبًا ما تتطلب درجات حرارة منخفضة تتراوح من 70 إلى 398 كلفن لإزالة الهيدروجين، مما يجعل العملية كثيفة الطاقة. ومع ذلك، فإن التوافر الواسع، وانخفاض التكلفة، والمساحة السطحية العالية لمواد الكربون المنشط تجذب اهتمام الباحثين للتحقيق بشكل أكبر في هذه المواد في تخزين الهيدروجين. علاوة على ذلك، يمكن استخدام الكربون المنشط في سياق عمليات تنقية الهيدروجين وفصل الغاز المعتمدة على الامتزاز، حيث يمكنه امتصاص الشوائب مثل ثاني أكسيد الكربون والرطوبة من تدفقات غاز الهيدروجين بشكل انتقائي.

واحدة من التقنيات الكلاسيكية المستخدمة لتحسين كفاءة امتصاص الهيدروجين لمواد مختلفة، مثل الكربون المنشط، هي الطحن الكروي حيث يساعد على زيادة المساحة السطحية. تم استخدام هذه التقنية قبل 20 عامًا من قبل شيندو وآخرين [89]، الذين سجلوا سعة تخزين الهيدروجين تصل تقريبًا إلى بعد طحن عينة تجارية من الكربون المنشط لمدة 80 ساعة. تطبيق درجات الحرارة الكريوجينية هو ممارسة شائعة أخرى لتعزيز كفاءة امتصاص الهيدروجين من الكربون المنشط. في هذا الصدد، أفاد جيمّا وآخرون [90] بكفاءة امتصاص الهيدروجين تصل إلى باستخدام الكربون المنشط الذي تم تحضيره عن طريق التحلل الحراري لمادة اللجنين من رقائق الأوكاليبتوس عند 0.1 ميغاباسكال و77 كلفن. عند استخدام نفس درجة الحرارة، أفاد ووربل-إيوانيتس وآخرون [91] بسعات تخزين تصل إلى و عند 0.1 ميغاباسكال و4 ميغاباسكال، على التوالي، باستخدام كربون منشط قائم على الكيتوزان. أيضًا، سجل أكاساكا وآخرون [92] تحسين كفاءة التخزين من إلى بعد خفض درجة الحرارة من 298 كلفن إلى 77 كلفن باستخدام مادة كربونية قائمة على حبوب القهوة. أكدت هذه الدراسة الاستخدام الفعال لدرجات الحرارة الكريوجينية لتحسين سعة تخزين الهيدروجين.

تم استكشاف أنابيب الكربون النانوية كمواد محتملة لتخزين الهيدروجين بسبب هيكلها الفريد وخصائصها. يمكن أن تختلف سعة تخزين الهيدروجين لأنابيب الكربون النانوية اعتمادًا على عوامل مختلفة، مثل قطرها وطولها ووظيفتها وظروف التشغيل. يمكن أن تكون سعة تخزين الهيدروجين لأنابيب الكربون النانوية ذات الجدار الواحد عالية، نظريًا تصل إلى 5 إلى عند درجة حرارة الغرفة [93]. لقد أثبت تحقيق هذه السعة التخزينية تجريبيًا أنه تحدٍ بسبب تحسين هيكل الأنابيب النانوية، وتعزيز كفاءة امتصاص الهيدروجين وإزالة الهيدروجين، وضمان دورة آمنة وفعالة. وبالتالي، فإن استخدام أنابيب الكربون النانوية ليس عمليًا للاستخدام التجاري الواسع في تطبيقات النقل على متن الطائرة [94]. تسقط سعة تخزين الهيدروجين التي تم تحقيقها عند درجة حرارة الغرفة والضغط القياسي في مختلف أنواع أنابيب الكربون النانوية بشكل كبير دون الهدف الذي وضعته وزارة الطاقة الأمريكية لأنظمة تخزين الهيدروجين على متن الطائرة. ومع ذلك، عندما يتم خفض درجة الحرارة إلى 77 كلفن، فإن بعض عينات أنابيب الكربون النانوية تلبي أو تتجاوز هدف وزارة الطاقة الأمريكية لتخزين الهيدروجين.

يمكن لبعض أنابيب الكربون النانوية ونظيراتها الهجينة باستخدام جزيئات المعادن وأكسيد أن تتجاوز الهدف النهائي الذي وضعته وزارة الطاقة الأمريكية لأغراض النقل على متن الطائرة فيما يتعلق بسعة تخزين الهيدروجين. في هذا الصدد، حقق أكبر زاده وآخرون [95] سعة تخزين هيدروجين تصل إلى باستخدام نانو مركب من الحديد-فضة/تيتانيوم/أنابيب الكربون النانوية. تم استخدام مركب آخر من أنابيب الكربون النانوية وهيدريد المغنيسيوم المحفز بواسطة محفز الفاناديوم من قبل كادري وآخرون [96] حيث لاحظوا سعة تخزين هيدروجين تصل إلى في دقيقة واحدة وإطلاق هيدروجين يصل إلى في 10 دقائق عند 473 كلفن و573 كلفن، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، ثبت أن أنابيب الكربون النانوية المدعمة بالنيتروجين هي مواد تخزين هيدروجين فعالة للغاية، مثل المركب من أنابيب الكربون النانوية المدعمة بالنيتروجين المختلطة مع أكسيد اللانثانوم الذي تم تحضيره مؤخرًا من قبل ليانغ وآخرون [97] وأظهر سعة جاذبية تصل إلى عند 373 كلفن و1.8 ميغاباسكال. لذا، من المؤكد أن مواد مختلفة يتم التحقيق فيها باستمرار لتعزيز سعة تخزين أنابيب الكربون النانوية.
سعة تخزين أنابيب الكربون النانوية.
2.2.2.2. الأطر العضوية المعدنية (MOFs). فئة من المواد المسامية المكونة من أيونات المعادن أو تجمعات المعادن المرتبطة بالأغلفة العضوية. تتمتع هذه المواد بمساحة سطح كبيرة وأقطار مسام قابلة للتعديل. نظرًا لارتفاع مساميتها ومساحتها السطحية الكبيرة، أظهرت MOFs إمكانات قوية لتخزين الهيدروجين من خلال الامتزاز الفيزيائي. أظهرت بعض MOFs سعات هيدروجين تتجاوز ، أعلى من المواد التقليدية. ومع ذلك، فإن تحقيق مثل هذه السعات العالية في الظروف المحيطة لا يزال يمثل تحديًا مع الحفاظ على دورة تخزين/إطلاق قابلة للعكس. بينما تتمتع MOFs بسعات جاذبية عالية، فإن كثافتها الحجمية غالبًا ما تكون أقل بسبب الفراغات الكبيرة بين الهياكل المسامية [98]. تعتبر الحركيات البطيئة لكل من امتصاص الهيدروجين وإزالته والتغيرات الهيكلية أو التدهور عند تكرار دورات امتصاص الهيدروجين وإطلاقه من القضايا الرئيسية التي تحد من قابلية تطبيق MOFs. لذلك، فإن تحسين تركيبة الوصلات العضوية المعدنية، وأحجام المسام، وفهم التفاعلات بين هيكل MOF وجزيئات الهيدروجين لا يزال مجالًا متناميًا للباحثين لتعزيز كفاءة الأطر العضوية المعدنية.

تقدم آلية الانسكاب حلاً واعدًا لمعالجة التفاعل الضعيف لامتصاص الهيدروجين من خلال استخدام مواد الكربون المسامية. تعمل هذه الطريقة، التي تسهلها المحفزات القائمة على المعادن، بشكل فعال عند درجة حرارة الغرفة، مما يعزز قدرات تخزين الهيدروجين. في آلية الانسكاب، تهاجر جزيئات الهيدروجين من المحفز إلى سطح مواد الكربون المسامية، مما يحسن خصائص تخزين الهيدروجين. تتضمن هذه العملية عدة خطوات رئيسية: الامتزاز الكيميائي للهيدروجين على السطح، والتفكك على المحفز المعدني، وهجرة الهيدروجين من المحفز إلى سطح مواد الكربون المسامية، والانتشار والإزالة عند سطح الركيزة. يتطلب تحقيق الامتزاز الكيميائي للهيدروجين محفزًا بسعة امتصاص هيدروجين كبيرة، عادةً ضمن نطاق طاقة يتراوح من . بعد ذلك، يجب على ذرات الهيدروجين تجاوز حاجز طاقة كبير، يتراوح من 2.45 إلى 3.2 إلكترون فولت، للهجرة إلى الركيزة. يمكن أن تقلل تقنيات مثل حفر الثقوب من هذا الحاجز الطاقي. يشكل انتشار ذرات الهيدروجين داخل الركيزة، وخاصة في MOFs، تحديات بسبب الرابطة القوية ، مما يؤدي إلى حاجز طاقة يتراوح من 1.05 إلى 2.16 إلكترون فولت على سطح MOFs [99،100]. الشكل 3. يوضح عملية هجرة الهيدروجين عبر MOFs.

حقق بامبالازا وآخرون [101] تأثير الهيدروكسيل على سعة تخزين الهيدروجين لإطار جامعة أوسلو 66 (UIO-66)، وتم تأكيد التأثير الإيجابي من خلال زيادة السعة من إلى عند 77 كلفن و10 ميغاباسكال. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام الإطار العضوي المعدني 5 (MOF-5)، والذي يُطلق عليه أيضًا الإطار العضوي المعدني المتساوي الشبكة 1 (IRMOF-1)، بشكل رئيسي من قبل مجموعة أبحاث عمر ياغي في تخزين الهيدروجين [102]، وقد أظهر 7.1 عند 77 كلفن و4 ميغاباسكال التي ارتفعت إلى عند 17 ميغاباسكال مع سعة تخزين حجمية تصل إلى . لزيادة تفاعل جزيئات الهيدروجين مع هيكل MOF ولتحقيق تخزين الهيدروجين في ظروف ملائمة، يجب النظر في عدة طرق، مثل إضافة أنواع مختلفة من المعادن لتوفير مواقع إضافية في الإطار [103]. تماشيًا مع هذا النهج، درس أوركاجو وآخرون [104] تأثير أيونات الليثيوم من خلال إدخال مركب إيثير الليثيوم داخل هيكل MOFs المسامية؛ مواد الكروم (III) التيريفثاليت من معهد لافوازييه (Cr-MIL-101) ومواد الكربوكسيليت الحديدية (III) من معهد لافوازييه (Fe-MIL-100). زادت السعة الحجمية لـ Cr-MIL-101 وFe-MIL-100 من 10.89 إلى إلى 12.27 و ، على التوالي، عند 298 كلفن و17 ميغاباسكال.
2.2.2.3. الأطر العضوية التساهمية (COFs). الأطر العضوية التساهمية (COFs) هي فئة من المواد التي تشبه الأطر المعدنية العضوية (MOFs) ولكنها لا تحتوي على أيونات المعادن الثقيلة. يتم بناؤها باستخدام كتل بناء عضوية من خلال طرق التكوين التساهمي الديناميكي. تتمتع COFs بهياكل بلورية موسعة مع مساحات سطحية عالية ومنخفضة.

الكثافات، مشابهة لمركبات الإطار العضوي المعدنية (MOFs). غياب أيونات المعادن الثقيلة في مركبات الإطار العضوي (COFs) يوفر ميزة في سعة تخزين الهيدروجين الوزني بسبب كثافتها المنخفضة. اعتمادًا على الترتيب البُعدي لوحدة الخلية الافتراضية المستخدمة لتصوير الإطار البلوري، يتم تصنيف مركبات الإطار العضوي إلى ثنائية الأبعاد (2D) أو ثلاثية الأبعاد (3D) [105].

فريق ياغي كان رائدًا في استخدام الكيمياء الشبكية لصنع كل من COFs ثنائية وثلاثية الأبعاد، مع دمج مكونات عضوية مترابطة بواسطة وحدات استر البورونات و/أو البوروكسان [106،107]. تتميز هذه الإطارات بهياكل مرتبة واسعة، مما يشكل شبكة بلورية متعددة بسبب الطبيعة القابلة للعكس جزئيًا لتكوين الروابط التساهمية خلال تفاعل التكثيف، المعروف باسم الكيمياء التساهمية الديناميكية. بالإضافة إلى ذلك، أجرى ياغي وزملاؤه دراسات حول خصائص تخزين الهيدروجين لـ COFs ثنائية وثلاثية الأبعاد ووجدوا أن COF-102 يتفوق على COFs الأخرى، قادرًا على تخزين ما يقرب من الهيدروجين عند 77 كلفن و35 بار [108،109].

تعتبر سعات تخزين الهيدروجين لمركبات الإطار العضوي (COFs) (سواء ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد) تحت الضغط العالي ممتازة. ومع ذلك، فإنها تبقى بعيدة عن المعايير التي وضعتها وزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، والتي تتطلب سعة قدرها عند درجات حرارة تتراوح بين 233 إلى 333 كلفن بحلول عام 2020 [110،111]. لمعالجة هذه القيود، استكشف الباحثون تزيين COFs بذرات المعادن، مما حسّن بشكل كبير من قدرتها على امتصاص الهيدروجين. اكتشف زهاو وآخرون [111] أن COF-1، عندما تم تزيينه بالليثيوم عند 300 كلفن تحت ضغط جوي قياسي، يمكنه امتصاص ثلاث جزيئات هيدروجين حول ذرة الليثيوم، مما يؤدي إلى أداء امتصاص هيدروجين قدره عند درجة حرارة الغرفة. ركز شانغوان وآخرون [112] على سعة تخزين الهيدروجين للمواد شبه الموصلة المعدلة بالسكنديم (Sc) COF-1. أظهر هيكل COF-1 المعدل تحسينًا في تخزين الهيدروجين، حيث يقوم كل ذرة Sc بامتصاص ما يصل إلى أربعة بشكل مستقر. الجزيئات. وُجد أن أداء تخزين الهيدروجين لـ 6Sc-COF-1 هو عند 300 كلفن، متجاوزًا المواد الأخرى. عند 400 كلفن، تم إطلاق جميع جزيئات الهيدروجين الممتصة، مما يؤكد على قابلية المادة الممتازة للعكس. قام تشوي وآخرون [113] بالتحقيق في استخدام COFs المزينة بالمعادن لتخزين الهيدروجين. أظهرت COFs المزينة بأيونات الليثيوم والمغنيسيوم طاقات امتصاص الهيدروجين تبلغ 0.28 و0.30 إلكترون فولت، على التوالي، متجاوزة هدف وزارة الطاقة الأمريكية من . كما استكشفت الدراسة تأثير الأيونات المضادة على تخزين الهيدروجين.

ركز كاليديندي وآخرون [114] على استخدام COFs كقوالب لجزيئات Pd النانوية ودراسة خصائص تخزين الهيدروجين الخاصة بها. أظهر مادة Pd@COF-102 الهجينة توزيعًا ضيقًا لحجم جزيئات Pd النانوية، حتى عند التحميلات العالية. ). تم تعزيز سعة تخزين الهيدروجين لـ Pd@COF-102 بمعدل 2-3 مرات مقارنة بالأنظمة المماثلة، مع اقتراب من الهيدروجين المخزن عند 77 كلفن و35 بار.
2.2.2.4. البوليمرات العضوية المسامية (POPs). ظهرت البوليمرات العضوية المسامية غير المتبلورة (POPs) كمرشحين واعدين لتخزين الهيدروجين بسبب سهولة معالجتها وخصائصها الميكانيكية القوية. يمكن تصنيف البوليمرات العضوية المسامية إلى أربع فئات رئيسية: (i) الأطر العطرية المسامية (PAFs)، (ii) البوليمرات الدقيقة المترافقة (CMPs)، (iii) البوليمرات المترابطة بشكل مفرط (HCPs) و (iv) البوليمرات ذات المسامية الدقيقة الجوهرية (PIMs) [115].

تمثل PAFs فئة من المواد المسامية التي تتكون أساسًا من عناصر خفيفة مثل الكربون. الهيدروجين الأكسجين والنيتروجين (N). تظهر قابلية ملحوظة للتكيف أثناء التخليق، مما يؤدي إلى نتائج قابلة للتكرار. توفر PAFs العديد من الخصائص المفيدة، بما في ذلك مساحة سطح محددة مرتفعة، مسامية ملحوظة، استقرار كيميائي وحراري قوي، التكافؤ، ومرونة واسعة. وبالتالي، فإن PAFs لها تطبيقات متنوعة، لا سيما في مجالات مثل تخزين الغاز [116]. ركز بن وآخرون [117] على تخليق إطار عطري مسامي يسمى PAF-1 بخصائص استقرار عالية ومساحة سطح استثنائية. أظهر PAF-1 مساحة سطح لانغموير قدرها ، متفوقًا على المواد العضوية المعدنية المسامية العالية. كما أظهر استقرارًا حراريًا وهيدروحراريًا عاليًا. بالإضافة إلى ذلك، أظهر PAF-1 قدرات امتصاص كبيرة للهيدروجين ( عند 77 كلفن، 4.8 ميغاباسكال). قام يوان وزملاؤه [118] بتخليق مجموعة من مشتقات PAF-1 عن طريق استبدال ذرة الكربون المركزية في المونومرات الرباعية السطوح بالأدامانتان (PPN-3) والسيليكون (PPN-4) والجرمانيوم (PPN-5)، خصيصًا لتخزين الهيدروجين. وجد المؤلفون أن PPN-4 أظهر مساحة سطح عالية من (BET) و (لانغموير). أظهر PPN-4 سعات تخزين هيدروجين مثيرة للإعجاب، مع امتصاص زائد من عند 77 كلفن و 5.5 ميغاباسكال، مع وصول إجمالي الامتصاص إلى بدقة 8 ميجابكسل. تجعل هذه النتائج PPN-4 واحدًا من أعلى المواد أداءً لتخزين الهيدروجين، متجاوزةً العديد من
مواد مسامية أخرى وحتى مقارنة بأفضل القيم المبلغ عنها في MOFs.

تمثل مركبات CMP أمثلة ملحوظة على مواد الامتزاز التي شهدت مؤخرًا تقدمًا كبيرًا. تم تحديد معظم سعات الامتزاز المقاسة عادة عند 77 كلفن، وهو درجة حرارة أقل بكثير من درجات الحرارة التشغيلية النموذجية المطلوبة للتطبيقات العملية. في هذا السياق، ركز قياو وزملاؤه على تصميم وتخليق شبكتين جديدتين من الميكرو مسامية المترافقة، P-1 و P-2، لتطبيقات تخزين الغاز والفصل. تم إعداد الشبكات من خلال بلمرة الاقتران الأكسيدي. أظهرت النتائج أن P-2 كان له مساحة سطح BET أعلى ( ) مقارنة بـ P-1 ( )، مما يدل على تحسين المسامية. وُجد أن سعة تخزين الهيدروجين لـ P-1 كانت عند 77 كلفن و1.1 بار، بينما أظهر P-2 سعة أعلى من كانت الحرارة الإيزوستيرية لامتصاص الهيدروجين لـ P-1 و لـ P-2. تشير هذه النتائج إلى أن P-2 لديه إمكانيات واعدة لتطبيقات تخزين الهيدروجين [121]. تم تخليق CMPs، المسماة CMP-G1 و CMP-G2، من خلال تفاعل أكسدة متتابع في وعاء واحد. أظهرت CMPs مساحات سطحية كبيرة وأحجام مسام دقيقة تتراوح من 0.5 إلى 1.5 نانومتر. تم تحديد سعة امتصاص الهيدروجين على أنها لـ CMP-G1 و لـ CMP-G2 عند 20 بار و 77 كلفن، على التوالي. تشير هذه النتائج إلى الإمكانية المحتملة لتطبيق CMP-Gs في تخزين الهيدروجين، مما يبرز أهميتها في تطوير مصادر الطاقة النظيفة.

HCPs هي في الأساس بوليمرات مسامية مترابطة بشكل كبير. تعود بداياتها إلى أوائل السبعينيات عندما قدمها دافانكوف وزملاؤه لأول مرة. تم تصنيع HCPs من خلال الربط المتقاطع الواسع لسلاسل بولي ستيرين الخطية، الذي تم تحقيقه عبر تفاعلات فريدل-كرافتس. تتضمن هذه العملية تشكيل جسور هيكلية بين الحلقات العطرية المجاورة وسلاسل أخرى أثناء كونها في حالة انتفاخ عالية. توفر المواد المسامية الناتجة العديد من المزايا مقارنةً بنظيراتها غير المسامية بسبب مساميتها العالية. بالنسبة لتخزين الهيدروجين، قام لي وزملاؤه بدراسة خصائص امتصاص الهيدروجين لـ HCPs المسامية الدقيقة التي تم تصنيعها من بولي ستيرين. أظهر البوليمر مساحة سطح ظاهرة عالية وفقًا لاختبار BET. ومساحة سطح لانغموير للنيتروجين قدرها عند 77 كلفن و 1.5 ميغاباسكال، تم امتصاص البوليمر الهيدروجين، الذي يمثل أعلى مستوى من امتصاص الهيدروجين الذي تم ملاحظته في بوليمر عضوي. كانت الدراسة تهدف إلى معالجة تحدي تخزين الهيدروجين لتطبيقات الوقود. بالمقارنة مع مواد أخرى، مثل الكربون وMOFs، أظهرت HCPs قدرات واعدة في امتصاص الهيدروجين، خاصة عند الضغوط التي تزيد عن 0.5 ميغاباسكال. تظهر النتائج إمكانيات البوليمرات العضوية كمرشحين جذابين لتخزين الهيدروجين بسبب تركيبها العنصري الخفيف، ومرونتها التركيبية، ومساحاتها السطحية العالية. بحث آخر أجراه وود وفريقه [125] ركز على تخزين الهيدروجين في شبكات HCPs الدقيقة المسامية. قاموا بتخليق سلسلة من الشبكات باستخدام مونومرات ثنائي كلوروميثيل ووجدوا أن المواد أظهرت مسامية دقيقة عالية مع مساحات سطحية BET تصل إلى . من بين الشبكات، أظهرت تلك المستندة إلى 4، 4′-ثنائي (كلوروميثيل)-1،1′-ثنائي الفينيل (BCMBP) أعلى سعة تخزين وزنية للهيدروجين، حيث وصلت إلى عند 1.5 ميغابكسل و 77.3 كيلوكالفن. تم تحديد الحرارة الاستوائية لامتصاص الهيدروجين على هذه المواد لتكون في نطاق .

تمثل PIMs فئة بوليمرية تم بحثها على نطاق واسع، وتتميز بهياكل عمودية صلبة متداخلة مع مواقع للانحناء، مما يعيق التعبئة الفعالة في الحالة الصلبة ويؤدي إلى حجم حر كبير. ونتيجة لذلك، تظهر PIMs مساحات سطحية مرتفعة نسبياً تتراوح من 560 إلى والميكرو مسام التي تقل عن 2 نانومتر، كما حددها الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) [127-129]. على الرغم من خصائصها الجوهرية الجذابة وقابلية معالجتها، فإن PIM-1 تظهر قدرات تخزين هيدروجين منخفضة نسبيًا ( ) [127]. تُعزى هذه القيود إلى المساحة السطحية المحدودة وحجم المسام، مما يطرح تحديات لتحسين الأداء. كانت الجهود السابقة لتحسين المساحة السطحية وخصائص تخزين الغاز لـ PIM-1 تتضمن دمج مساحيق ذات مساحة سطح عالية مثل MOFs.
أو الكربون المنشط. لاختبار استقرار PIM لتخزين الهيدروجين، قام روشات وآخرون [130] بدراسة الاستقرار على المدى الطويل لـ PIM-1 لتطبيقات تخزين الهيدروجين. على مدى فترة 400 يوم، تم فحص الخصائص الميكانيكية والسطحية لـ PIM-1. أظهرت النتائج أن معظم الخصائص الميكانيكية والسطحية ظلت مستقرة مع مرور الوقت، بما في ذلك القوة الميكانيكية، والمرونة، والمساحة السطحية. ومع ذلك، كان هناك انخفاض صغير ولكنه ذو دلالة إحصائية في سعة تخزين الهيدروجين لـ PIM-1، خاصة في المراحل الأولية من الشيخوخة. وقد تم عزو هذا الانخفاض إلى إعادة ترتيب بطيئة للهيكل البوليمري. بشكل عام، أظهرت الدراسة أن PIM-1 يمتلك الاستقرار اللازم على المدى الطويل لتطبيقات تخزين الهيدروجين الواقعية.
2.2.2.5. الزيوليت. الزيوليت هي سيليكات ألومنيوم بلورية ذات هياكل مسامية محددة جيدًا. نظرًا لطبيعتها الميكروية الفريدة ومساحتها السطحية الكبيرة، تم التحقيق في الزيوليت كمواد محتملة لتخزين الهيدروجين. يخزن الزيوليت الهيدروجين بشكل رئيسي من خلال الامتصاص الفيزيائي، وهو نوع من الامتصاص الفيزيائي الناتج عن قوى فان der Waals الضعيفة بين جزيئات الهيدروجين وسطح الزيوليت. عملية الامتصاص قابلة للعكس، لذا يمكن إطلاق الهيدروجين بسهولة عند الحاجة.

تعتمد فائدة الزيوليتات في تخزين الهيدروجين على عدة عوامل، حيث تعتبر مساحتها السطحية الكبيرة اعتبارًا محوريًا، وغالبًا ما تتراوح من عدة مئات إلى أكثر من ألف متر مربع لكل جرام. توفر هذه المساحة السطحية الكبيرة عددًا كبيرًا من مواقع الامتصاص لجزيئات الهيدروجين، مما يزيد من سعة التخزين. يمكن تخصيص أحجام المسام وتوبولوجيا الزيوليتات خلال عملية التخليق، مما يتيح تحسينها لأفضل امتصاص للهيدروجين. علاوة على ذلك، فإن الزيوليتات مستقرة حراريًا، وهو ما يعد ميزة لتخزين الهيدروجين عند درجات حرارة عالية. كما أن هناك اهتمامًا بالظاهرة المعروفة باسم “تسرب الهيدروجين”، حيث يمكن للزيوليتات المحملة بالمعادن أن تفكك الهيدروجين الجزيئي على المعدن ثم تسرب الهيدروجين الذري إلى الدعم الزيوليت المجاور، مما قد يزيد من سعة التخزين. ومع ذلك، لا يزال هذا الآلية موضوعًا للبحث والنقاش.

عامل رئيسي آخر هو خاصية التبادل الأيوني داخل هياكل الزيوليت التي تحسن من سعتها التخزينية [134]. علاوة على ذلك، تعتبر الزيوليت ذات قيمة لأن خاصية التبادل الأيوني تسمح بتعديل حالة التكافؤ وحجم الكاتيونات القابلة للتبادل، مما يتحكم بدوره في قطر الأقفاص والقنوات، مما يجعل من الممكن التلاعب بالمساحة المتاحة للزيوليت [135]. واحدة من الدراسات التي أجريت في وقت مبكر للتحقيق في الزيوليت هي تلك التي قام بها لانغمي وآخرون [135]، حيث تحسنت اتجاه سعة التخزين لأول مرة من خلال زيادة حجم الكاتيون، تلاها انخفاض في السعة عند زيادة حجم الكاتيون أكثر باستخدام أيونات المعادن القلوية والمعادن القلوية الأرضية. تم ملاحظة هذا الاتجاه من خلال السعة المعززة من استخدام زيوسيت X القائم على الصوديوم لـ بواسطة زيلوت X المعتمد على البوتاسيوم، تلاه انخفاض إلى و باستخدام الريبيديوم وزيولايت X القائم على السيزيوم، على التوالي.

وبالمثل، زادت كاتيونات المعادن القلوية الأرضية من سعة التخزين من إلى عن طريق الانتقال من زيوسيت قائم على المغنيسيوم إلى زيوسيت قائم على الكالسيوم X، تلاه انخفاض إلى استخدام زيوسيت قائم على السترونتيوم عند 77 كلفن و 1.5 ميغاباسكال. وقد تم عزو هذه النتيجة إلى انسداد مسام الزيوسيت بحجم الكاتيونات الكبير. تم استخدام أنواع أخرى من الزيوسيت في تخزين الهيدروجين، مثل زيوسيت Y الفائق الاستقرار الذي حقق عند 303 كلفن و5 ميغاباسكال [136]، وزيولايت سوكوني موبايل-5 الذي وصل إلى عند 77 كلفن و1.2 ميغاباسكال [137]. من ناحية أخرى، تؤثر بعض القيود على كفاءة الزيوليتات في تخزين الهيدروجين، مثل سعتها المنخفضة لتخزين الهيدروجين عند درجات الحرارة والضغوط المحيطة التي لا تزال دون المعايير المحددة للتطبيقات السيارات الواقعية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة المطلوبة لإزالة الهيدروجين (إطلاقه من مادة التخزين) تكون أحيانًا أعلى من المثالي لبعض التطبيقات.
2.2.2.6. الكلاترات. الكلاترات، التي تُعرف علمياً باسم هيدرات الغاز، هي
تشكيلات بلورية معقدة تنشأ من الترتيب الهيكلي لجزيئات الماء. تتخذ هذه التشكيلات بنية تشبه القفص، قادرة على احتواء جزيئات ضيفية دون أي ارتباط كيميائي. عادةً ما تظهر هذه الجزيئات الضيفية كغازات. نظرًا للطلب المتزايد على مواد آمنة وفعالة مناسبة لتخزين الهيدروجين، ظهرت الكلاترات كفئة مشجعة من المواد للاستخدام المحتمل. إن احتواء الهيدروجين داخل أقفاص الماء، كما تسهل الكلاترات، يساعد على تقليل المخاطر المرتبطة بإطلاق الغاز المفاجئ أو الحوادث الانفجارية بشكل كبير.

يمكن تصنيف الكلاترات بشكل عام إلى نوعين رئيسيين: هيدرات الكلاترات وهيدرات شبه الكلاترات. يعتمد هذا التصنيف على طبيعة التفاعلات بين الأنواع الضيفية والإطار المضيف. تظهر هيدرات شبه الكلاترات مزيجًا من الروابط الهيدروجينية الجزئية وقوى فان der Waals في التفاعلات بين الكيانات الضيفية والمضيفة، كما أوضحت الأبحاث الحديثة التي أجراها غوبتا وآخرون. بالمقابل، تعتمد هيدرات الكلاترات بشكل أساسي على قوى فان der Waals الضعيفة التي تحكم التفاعل بين جزيئات المضيف والضيف.

تشير الدراسات الحديثة، مثل عمل فيلوسوامي وآخرين [140]، إلى اهتمام متزايد في التحقيق في الهيدرات الكلاترية لتخزين الهيدروجين. يُعزى هذا الاهتمام بشكل أساسي إلى عدة ميزات إيجابية، تشمل (i) استخدام محفزات قليلة مع الماء لتحسين ظروف التشغيل، (ii) القدرة على تخزين الهيدروجين في شكله الجزيئي، مما يسمح بالاستخدام الفوري مع متطلبات حرارية أو ضغط منخفضة؛ (iii) القدرة على تخزين الهيدروجين عند درجات حرارة وضغوط معتدلة، خاصة في الحالات التي تتضمن محتوى منخفض من المحفزات؛ و (iv) وعد بسعات تخزين كبيرة من حيث الوزن والحجم. ومع ذلك، من الضروري الاعتراف بأنه، كما أشار زانغ وآخرون [138]، يجب التغلب على بعض التحديات، بما في ذلك (i) الحاجة الملحوظة لحجم كبير للوسط الداعم، (ii) الطاقة الكبيرة اللازمة لإنتاج الجليد؛ (iii) القضايا المتعلقة بكفاءة امتصاص الهيدروجين؛ و (iv) القيود المرتبطة بنقل الكتلة. تصنيف الهياكل الكلاترية يدور بشكل أساسي حول خصائصها البلورية، كما هو موضح بصريًا في الجدول 1.

تنبع الصعوبة في تشكيل الكلاترات تحت الظروف البيئية العادية بشكل أساسي من الحجم الجزيئي الصغير للهيدروجين، مما يشكل عقبة كبيرة. لذلك، بدأ العلماء في إجراء تحقيقات حول تقنيات متنوعة لتحسين سعة التخزين. واحدة من هذه الطرق تتضمن استخدام الغازات المساعدة مثل التتراهيدروفوران والميثان، التي أظهرت القدرة على تحفيز تشكيل كلاترات الهيدروجين. كما هو موضح في الجداول 1، من الواضح أن الهيدروجين النقي لا يؤدي بسهولة إلى تكوين هيكل مستقر I. لذلك، يتم استخدام مجموعة متنوعة من المحفزات لتسهيل

تشكيل واستقرار مثل هذه الكلاترات. من بين هذه المحفزات، ينتج الميثان، كما استخدمه ماتسوموتو وآخرون [142]، محتوى هيدروجين معتدل يبلغ فقط عند 263 كلفن و70 ميغاباسكال. في دراسة أخرى، تم استخدام البروبان لتعزيز تكوين هيدرات الهيدروجين، وكانت سعة التخزين فقط عند 270 كلفن و 12 ميغاباسكال [143]. تم الإبلاغ عن نتيجة أفضل من قبل بيلوسلودوف وآخرون [144] عندما وصلت سعة التخزين إلى عند 250 كلفن عند استخدام الإيثان كعامل محفز، ومع ذلك ضغط مرتفع جداً يبلغ 300 ميغاباسكال. لذلك، يحاول الباحثون دراسة أنواع أخرى من هيدرات الهيدروجين، مثل الهيكل الثاني.

لقد أظهرت استخدام جزيئات المحفز، مثل رباعي هيدرو الفوران، نتائج واعدة في تعزيز هياكل الهيدرات من النوع الثاني لتخزين الهيدروجين. تساعد وجود هذه الجزيئات المحفزة في استقرار هيكل الهيدرات وتزيد بشكل كبير من سعة تخزين الهيدروجين. واحدة من الدراسات المبكرة [145] التي استخدمت رباعي هيدرو الفوران في عام 2004 لتقليل الضغط المطلوب لتخزين الهيدروجين في هيدرات الكلاترات الثنائية من النوع II إلى 5 ميغاباسكال عند 279.6 كلفن أسفرت عن مجرد تخزين الهيدروجين. يمكن أن يُعزى هذا النتيجة إلى الوجود الحصري لجزيئات الهيدروجين داخل الأقفاص الصغيرة، مع غيابها التام في الأقفاص الأكبر، التي كانت مشغولة بالتتراهيدروفوران.

بعد عام، تم إجراء تحقيق بواسطة لي وآخرون [146] لتحسين سعة تخزين الهيدروجين في هيدرات الكلاتر الثنائي الهيكلي II عن طريق تقليل تركيز رباعي هيدرو الفوران من 5.56 إلى ، و . وبالتالي، زادت السعة من 2.1 إلى ، و على التوالي، عند 12 ميغاباسكال و270 كلفن. في عام 2009، لم يتمكن سوجاهارا وزملاؤه [147] من إنتاج هيدرات الهيدروجين النقية عند 70 ميغاباسكال و255 كلفن، لكنهم نجحوا في تخليق هيدرات ثنائية من الهيدروجين والتتراهيدروفوران في نفس الظروف، مما يظهر تخزين الهيدروجين. في عام 2017، أظهرت دراسة أجراها ليو وآخرون [148] أن السعة الوزنية للهيدروجين كانت حوالي باستخدام هيدرات الهيدروجين النقي. وبالتالي، انخفضت هذه السعة إلى نطاق 1.6-3.8 wt% عند استخدام هيدرات ثنائية من الهيدروجين والتتراهيدروفوران عند 140 كلفن.

تم استخدام محفزات أخرى أيضًا لإنتاج هيدرات الكلاترات ذات الهيكل الثنائي II، مثل الميثان، كما استخدمه بيلوسلودوف وآخرون [149] للحصول على سعة جاذبية قدرها عند 250 كلفن و70 ميغاباسكال. علاوة على ذلك، تم إجراء دراسة حديثة في عام 2023 بواسطة ليو وآخرين [150] حيث حققوا سعة تخزين قدرها عند 270 كلفن و20 ميغاباسكال. تم استخدام محفز آخر، وهو غاز النيتروجين، من قبل ليو وآخرين [151] لاستبدال الهيدروجين في كل من الأقفاص الصغيرة والكبيرة للهيدرات الثنائية لزيادة سعة تخزين الهيدروجين إلى عند 243 كلفن و15 ميغاباسكال. الإبوكسي سيكلوبنتان هو محفز آخر تم استخدامه مؤخرًا من قبل تشين وآخرين [152] لإنتاج هيدرات ثنائية بسعة تخزين هيدروجين تبلغ عند 262 كلفن و 18.2 ميغاباسكال. وبالتالي، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المحفزات لإنتاج هذه الهياكل الثنائية من الهيدرات.

تتمتع تقنية Solid-HyStore بالعديد من المزايا التي تجعلها تبرز كبديل محتمل لتقنيات تخزين الهيدروجين التقليدية مثل الهيدروجين المضغوط والهيدروجين السائل. يُعتبر ميثيل سيكلوهكسان، ميثيل تيرت-بيوتيل إيثر، و1,1-دايميثيل سيكلوهكسان من أكثر المحفزات شيوعًا المستخدمة في إنتاج الهيدرات الثنائية لـ SolidHyStore [138]. في هذا الصدد، أفاد باباديميتريو وآخرون [153] أن سعة التخزين كانت “ . تم تحقيق هذه السعة التخزينية من خلال إدخال الميثيل سيكلوهكسان كعامل مساعد لتسهيل تشكيل هيدرات ثنائية الصلبة-هايدستور عند 274 كلفن و500 ميغاباسكال.

مؤخراً، حظيت الهيدرات شبه الكلازيت باهتمام كبير بسبب قدرتها الاستثنائية على تخزين جزيئات الغاز ذات الوزن الجزيئي المنخفض مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان والهيدروجين حتى في درجات الحرارة والضغوط القريبة من الظروف المحيطة من خلال دمج جزيئات الماء مع أملاح الأمونيوم الرباعية. بالإضافة إلى ذلك، فإن محلول أملاح الأمونيوم الرباعية له ضغط بخار أقل من المحاليل العضوية المتطايرة مثل محلول التتراهيدروفوران، مما يقلل من احتمال إدخال ملوثات إلى غاز الهيدروجين الناتج أثناء تفكك الهيدرات. تشمل بعض الأملاح الرباعية الشائعة بروميد التتربوتيل أمونيوم، كلوريد التتربوتيل أمونيوم، وبروميد التتربوتيل فوسفونيم.
مستخدمة في تشكيل هيدرات شبه الكلايثرات. تم استكشاف جدوى استخدام كلوريد التترا بوتيل أمونيوم وبروميد التترا بوتيل فوسفونيم القائمين على شبه الكلايثرات لتخزين الهيدروجين من قبل ديشامب و دالمزون [154]. وقد حددوا أن هذه المواد أظهرت سعات تخزين الهيدروجين من (عند 288.9 ك) و (عند 285 كلفن)، على التوالي، تحت ضغط قدره 15 ميجا باسكال. كشفت دراسة أخرى أجراها ستروبل وآخرون [155] عن سعة تخزين أعلى قليلاً ( ) مقارنة بالدراسة المذكورة أعلاه باستخدام التترا- بروميد البوتيل الأمونيوم عند 279.5 كلفن و 13.8 ميغاباسكال. استنادًا إلى المعلومات المذكورة أعلاه، تم تقديم مقارنة بين الكلاترات والسمّي-كلاترات في الشكل 4 لتوضيح الاختلافات الرئيسية بين هذين النوعين. تم تلخيص مقارنة شاملة لمواد تخزين الهيدروجين في الجدول 2.

تظهر تخزين الهيدروجين تحت الأرض كنهج واعد للغاية لإدارة كميات كبيرة من الهيدروجين بشكل فعال، مع تقديم مزايا ملحوظة من حيث السلامة والكفاءة المكانية. تعتبر التكوينات تحت السطح، بما في ذلك المياه الجوفية، وخزانات النفط والغاز المستنفدة، وكهوف الملح، خيارات مناسبة لتخزين الهيدروجين. تُفضل كهوف الملح بشكل خاص بسبب خصائصها المفيدة، التي تشمل نفاذية منخفضة وسعة تخزين واسعة، مما يمنحها قدرة كبيرة على التخفيف، مما يجعل
تعتبر مناسبة لاستيعاب مصادر الطاقة المتقطعة. تتضمن منشأة تخزين الغاز تحت الأرض التراكم الاصطناعي للغاز في البيئة الطبيعية، عادة على عمق كبير، وغالبًا ما يتجاوز عدة مئات من الأمتار. يتكون الغاز المخزن من مكونين: الغاز العامل، الذي يتم حقنه في التخزين واستخراجه منه، وغاز الوسادة، الذي يبقى داخل المنشأة طوال فترة تشغيلها. الغرض من غاز الوسادة هو مزدوج: الحفاظ على مستوى ضغط أدنى يمنع دخول الماء إلى مساحة التخزين وضمان ظروف مثالية لحقن الغاز.

تشمل مزايا منشآت تخزين الغاز تحت الأرض [161].
1. سلامة محسّنة: المنشآت تحت الأرض أقل عرضة للمخاطر مثل الحرائق، الهجمات الإرهابية، أو الأعمال العسكرية مقارنة بخزانات التخزين السطحية.
II. إدارة المساحة بكفاءة: يمكن أن تخزن المنشآت تحت الأرض كميات كبيرة من الغاز بينما تشغل مساحات سطحية صغيرة نسبيًا. بالمقابل، ستحتاج الخزانات السطحية إلى مساحة واسعة لتحقيق نفس سعة التخزين. الطبيعة المدمجة للمنشآت تحت الأرض تسهل التكامل مع المناظر الطبيعية والبنية التحتية القائمة.
III. الجدوى الاقتصادية: بناء منشآت تخزين الغاز تحت الأرض يكون عمومًا أكثر اقتصادية مقارنة بالمنشآت السطحية.

من سعة مماثلة. تساهم تكاليف البناء المنخفضة في الكفاءة العامة لتكاليف التخزين تحت الأرض.
IV. وفرة الهياكل الجيولوجية المناسبة: تمتلك العديد من الدول والمناطق الكبيرة تشكيلات جيولوجية مناسبة لتخزين الغاز تحت الأرض. توفر هذه الهياكل ظروفًا ملائمة لإنشاء وتشغيل المنشآت تحت الأرض.

لضمان التخزين الآمن والفعال للهيدروجين تحت الأرض، فإن الفهم الشامل للخصائص الهيكلية والجيوكيميائية لهذه التكوينات تحت السطحية أمر ضروري طوال عملية احتجاز الهيدروجين الجيولوجي [163]. على الرغم من التحديات، يظل التخزين تحت الأرض مكونًا قابلاً للتطبيق ومحوريًا في تحقيق اقتصاد قائم على الهيدروجين، مما يتطلب جهودًا مستمرة في البحث والتطوير [164]. يُشجع القراء الذين يسعون لاستكشاف أكثر شمولاً لتخزين الهيدروجين تحت الأرض على التعمق في المقالة التفصيلية المرجعية [165].

الكهوف الملحية، التي تكون عادةً على شكل أسطواني، هي حفر صناعية داخل رواسب الملح السميكة تحت الأرض تم إنشاؤها من خلال التعدين بالذوبان، وهي عملية تتضمن حقن الماء بشكل محكم في بئر محفور في صخر الملح. تسهل هذه الطريقة ذوبان الملح، مما يشكل
الكهوف ذات الأبعاد المحددة [166،167]. هذه الكهوف، التي تُبنى عادةً حتى عمق 2000 متر بحجوم تصل إلى 1,000,000 متر مكعب، مناسبة تمامًا لتخزين مواد متنوعة، وخاصة الغازات، تحت ضغوط عالية [167]. يتراوح ضغط التشغيل عادةً بين و ضغط الليثوستاتي [168]. تجعل العوامل الجيولوجية مثل ضيق الملح، والخصائص الميكانيكية، ومقاومة التفاعلات الكيميائية، الكهوف الملحية خيارًا جذابًا لتخزين الهيدروجين، مدعومًا بقدرات الإغلاق التي تمنحها الخصائص اللزجة البلاستيكية للصخور المتبخرة [169،170].

يمكن تصنيف رواسب الملح المناسبة لبناء الكهوف الملحية إلى قباب ملحية، وتشكيلات طبقية، أو وسائد ملحية، حيث تتطلب الملح الطبقي سمكًا لا يقل عن 200 متر وعمقًا يتراوح بين 500 إلى 1400 متر. ومع ذلك، يصبح الحفاظ على الاستقرار الهيكلي تحديًا بعد عمق معين بسبب تشوه الملح. على الرغم من توزيعها عالميًا، إلا أن تشكيلات الملح الصخري المناسبة مقيدة جغرافيًا مقارنة بالتشكيلات الجيولوجية المسامية. توفر الكهوف الملحية مرونة من خلال القدرة على تعديل هندستها، اعتمادًا على عوامل مثل طريقة التعدين بالمحلول، وعمق الكهف، ونوع رواسب الملح. تتيح هذه القابلية للتكيف تخصيص الشكل والأبعاد والحجم لتلبية متطلبات التخزين المحددة.

في كل من المملكة المتحدة والولايات المتحدة، فقط عدد محدود
عدد المواقع التي تستوعب حاليًا تخزين الهيدروجين داخل كهوف الملح. تشمل الأمثلة البارزة تيسايد في المملكة المتحدة ودوم كليمنس، سبيندلتوب، وموس بلاف في الولايات المتحدة [161،176]. تستخدم منشأة تيسايد، التي تعمل منذ السبعينيات، كهوف ملح ذات شكل بيضاوي تقع على أعماق تتراوح بين 350 إلى 450 م، وتتمتع بحجم إجمالي يبلغ 210,000 متر مكعب. بالمقابل، تحتوي كهوف الملح في دوم كليمنس وموس بلاف، الواقعة على عمق 800 م من قمة الكهف، على سعات أكبر تبلغ حوالي 580,000 متر مكعب لكل منهما. كانت دوم كليمنس تعمل منذ عام 1983، بينما بدأت موس بلاف عملياتها في عام 2007. تعتبر هذه المشاريع الطويلة الأمد دليلًا قويًا على الجدوى التقنية لتخزين الهيدروجين تحت الأرض على مدى فترات طويلة [176،177].

ركز كاجلايان وآخرون [177] على الإمكانات التقنية لكهوف الملح لتخزين الهيدروجين في أوروبا. قدرت الدراسة سعة التخزين وملاءمة الهياكل الملحية تحت السطحية في أوروبا لتخزين الهيدروجين. أشارت النتائج إلى أن تخزين كهوف الملح هو تقنية واعدة بسبب سعتها الكبيرة، وانخفاض تكلفة الاستثمار، وارتفاع إمكانات الإغلاق، وانخفاض متطلبات الغاز العازل. تم تقدير إجمالي الإمكانات التقنية لتخزين الهيدروجين في جميع أنحاء أوروبا بـ (بيتاوات-ساعات من الهيدروجين)، حيث تشكل كهوف الملح على اليابسة ضمن 50 كم من الساحل حوالي من الإمكانات الإجمالية. كانت ألمانيا تمتلك أعلى إمكانات التخزين بين الدول الأوروبية، حيث بلغت 9.4 . أظهرت النرويج أيضًا إمكانات كبيرة لكهوف البحر مع . تسلط هذه النتائج الضوء على الدور الكبير لكهوف الملح في تسهيل تخزين الهيدروجين في أوروبا. ركزت دراسة حديثة أجراها دياز وآخرون [178] على عملية تخزين الهيدروجين في كهوف الملح، تحديدًا في حقول البري-ملح البرازيلية. قامت الدراسة بتحليل سلامة الكهوف، مع الأخذ في الاعتبار التأثيرات الحرارية الميكانيكية، مثل تقلبات درجة الحرارة والضغط. تم استخدام نهج المحاكاة، حيث تم دمج تحليل العناصر المحدودة الحرارية الميكانيكية مع محاكاة غاز الديناميكا الحرارية. أبرزت النتائج أهمية التأثيرات الحرارية في الحفاظ على سلامة صخور الملح. وُجدت تقلبات كبيرة في درجة الحرارة تؤثر على سلامة الصخور من خلال تحفيز الضغوط الشد وتأثير النفاذية. أكدت الدراسة ملاءمة كهوف الملح لتخزين الهيدروجين تحت الأرض بسبب انخفاض مساميتها، وانخفاض نفاذيتها، والزحف ذي الصلة، وخصائص الشفاء الذاتي.

في الصين، قيم ليو وآخرون [179] جدوى تخزين الهيدروجين تحت الأرض على نطاق واسع في صخور الملح المصفوفة، باستخدام مقاطعة جيانغسو كدراسة حالة. تم تحديد منجم ملح جينتان في جيانغسو كموقع محتمل لتخزين الهيدروجين تحت الأرض. قامت الدراسة بتحليل الظروف الجيولوجية واستقرار كهوف الملح لتخزين الهيدروجين تحت الأرض، بالإضافة إلى إحكامها. أظهرت النتائج أن إحكام كهوف الملح لتخزين الهيدروجين تحت الأرض يمكن أن يكون منخفضًا يصل إلى أو أقل. تم تقدير أن كهوف الملح يمكن أن توفر ظروفًا ملائمة لتخزين الهيدروجين تحت الأرض بحجم 36.9 تيراوات-ساعة في جيانغسو. خلصت الدراسة إلى أن تخزين الهيدروجين تحت الأرض في صخور الملح المصفوفة يقدم حلاً قابلاً للتطبيق واقتصاديًا لتخزين الهيدروجين على نطاق واسع، خاصة في المناطق الغنية بالطاقة المتجددة وموارد الملح.

تتميز المياه الجوفية بتكويناتها الصخرية المسامية والقابلة للاختراق المملوءة بالمياه العذبة أو المالحة، مما يجعلها بديلاً محتملاً لتخزين الهيدروجين تحت الأرض، خاصة في المناطق التي تفتقر إلى رواسب الهيدروكربونات المستنفدة أو كهوف الملح. على عكس الخيارات الأخيرة، تتوزع المياه الجوفية على نطاق واسع في الأحواض الرسوبية في جميع أنحاء العالم، وغالبًا ما تقع بالقرب من مستهلكي الطاقة الرئيسيين والمراكز الحضرية. تمتلك المياه الجوفية تاريخًا من الاستخدام الآمن لتخزين الغاز الطبيعي، مما يجعلها خيارًا قابلاً للتطبيق لتخزين الهيدروجين [161].

تشبه عملية تخزين الهيدروجين في المياه الجوفية العميقة تلك في رواسب النفط والغاز المستنفدة، مما يتطلب ظروفًا جيولوجية محددة. يجب أن تظهر الصخور المختارة للحقن خصائص خزان ملائمة وأن تكون مغطاة بصخور سقف غير قابلة للاختراق لمنع هجرة الغاز. يتضمن إنشاء مساحة تخزين في المياه الجوفية إزاحة المساحة المملوءة بالماء لأسفل وجوانب، مما يؤدي إلى زيادة
في الضغط. أثناء الحقن، يقوم الغاز بإزاحة الماء، مما يخلق حدودًا ديناميكية للغاز/الماء تتحرك أثناء تشغيل منشأة التخزين. ومع ذلك، فإن أحد العيوب هو أن بعض الغاز يبقى غير قابل للاسترداد في المياه الجوفية [161،169،170].

على الرغم من إمكانات المياه الجوفية، فإن هناك مخاطر مختلفة مرتبطة بهجرة الهيدروجين، مثل التسرب على طول العيوب غير المكتشفة والتفاعلات الكيميائية الحيوية. إن إحكام المياه الجوفية غير معروف في البداية، مما يتطلب اختبارات مكلفة لتحديد إحكام الموقع العام وخصائص الإغلاق للصخور العلوية. يعتبر خطر تسرب الهيدروجين إلى السطح منخفضًا، ويمكن منع الانفجارات المحتملة بواسطة صمامات الأمان تحت السطح. تقدم المياه الجوفية ميزة تتمثل في أن الهيدروجين المخزن لا يمكن أن يشتعل بسبب نقص الأكسجين، مما يلغي خطر تكوين خليط قابل للاشتعال [170].

بينما تتوزع المياه الجوفية على مستوى العالم، فإن التكوينات الصخرية المناسبة لبناء الكهوف مقيدة جغرافيًا مقارنة بالتكوينات الجيولوجية المسامية. على الرغم من هذه التحديات، توفر المياه الجوفية مرونة في تعديل هندسة الكهف لتلبية احتياجات التخزين المحددة. ومع ذلك، فإن إنشاء منشآت تخزين المياه الجوفية يميل إلى أن يكون أكثر تكلفة بسبب الحاجة إلى حفر واختبارات واسعة لضمان الإحكام.

حتى الآن، تفتقر الأدبيات إلى تقارير عن تخزين الهيدروجين النقي في المياه الجوفية، ولكن تم تنفيذ مشاريع تخزين الغاز البلدي، التي تتكون من حوالي هيدروجين و ميثان، في أوروبا [170،180،181]. تقدم المياه الجوفية المالحة، مع توزيعها الواسع وسعات التخزين العالية، خيارًا اقتصاديًا لتخزين الهيدروجين على المدى الطويل. إنها تقدم سعات تخزين أكبر مقارنة برواسب النفط والغاز المستنفدة، مما يجعلها موردًا قيمًا لتخزين الهيدروجين الجيولوجي على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم. الطبيعة الصديقة للبيئة لتخزين المياه الجوفية، مع عدم وجود حقن للمياه العذبة أو التخلص من المحلول الملحي، تجعلها خيارًا جذابًا للمساهمة في الانتقال العالمي إلى الطاقة النظيفة. توفر الأبحاث الواسعة والخبرة الميدانية مع عمليات تخزين الغاز الطبيعي وعمليات التقاط الكربون وتخزينه في المياه الجوفية المالحة معلومات هيدروجيولوجية وجيولوجية قيمة. استضافت المياه الجوفية المالحة معظم عمليات تخزين الغاز الطبيعي الحالية على مستوى العالم، مما يجعلها مناسبة تمامًا لتخزين الهيدروجين على نطاق واسع. ومع ذلك، تطرح المياه الجوفية تحديات اقتصادية، حيث تتطلب استثمارات بنية تحتية أعلى مقارنة بالرواسب المستنفدة وكهوف الملح [174].

في المناطق التي تفتقر فيها الرواسب المستنفدة، أصبحت المياه الجوفية خيارًا قابلاً للتطبيق لتخزين الهيدروجين تحت الأرض. يجب أن تظهر هذه التكوينات الصخرية المسامية مسامية عالية، ونفاذية، وسعة لتحقيق كفاءة مقارنة بالرواسب المستنفدة. ومع ذلك، تطرح الاعتبارات الاقتصادية تحديات، حيث تتطلب المياه الجوفية استثمارات بنية تحتية أعلى، بما في ذلك منشآت فوق الأرض مثل الآبار، وخطوط الأنابيب، وتقنيات الحقن. تتعرض الجدوى الاقتصادية لتخزين المياه الجوفية لمزيد من التهديد بسبب الإنتاج المفرط من الهيدروجين والماء والتغيرات في واجهة السائل والغاز خلال دورات الحقن والسحب. التحديات المشتركة مع الرواسب المستنفدة، مثل الحاجة إلى تقييمات هيدروديناميكية وخصائص خزان ملائمة، تؤكد على الحاجة إلى تقييم شامل للمياه الجوفية كخيار قابل للتطبيق لتخزين الهيدروجين تحت الأرض على نطاق واسع [182].

تعتبر رواسب الغاز الطبيعي والنفط، الموجودة في الفخاخ الجيولوجية مثل الصخور المسامية مثل الكربونات أو الحجر الرملي، خزانات تتجمع فيها الهيدروكربونات. وغالبًا ما تكون هذه الخزانات مختومة بواسطة الصخور لمنع هجرة الهيدروكربونات. لقد أثبتت أكثر من مئة عام من العمليات الناجحة للغاز الطبيعي أن الخزانات المستنفدة تعتبر خيارات اقتصادية قابلة للتطبيق لتخزين الهيدروجين تحت الأرض. تشمل المعايير اللازمة لتخزين الهيدروجين تحت الأرض بنجاح على المدى الطويل في مثل هذه الخزانات السلامة، والسلامة الهيكلية، وتقييم الجدوى الاقتصادية. يضمن استخدام بقايا الغازات الأصلية في هذه الخزانات كغاز عازل إحكام الإغلاق والحفاظ على الضغط. ومع ذلك، هناك تحديات مثل فقدان الهيدروجين بسبب البكتيريا، والتفاعلات البيولوجية، وخلط الغاز العازل، ونقاء الهيدروجين أثناء السحب تحتاج إلى معالجة.

تعتبر خزانات الغاز المستنفدة حاليًا الخيار الأكثر وعدًا لتخزين الهيدروجين على نطاق واسع نظرًا لقدراتها المثبتة والبنية التحتية الموجودة. ومع ذلك، فإن المعرفة المكتسبة من تخزين غازات أخرى مثل
الميثان وثاني أكسيد الكربون لا يضمنان ملاءمة الهيدروجين بسبب خصائصه المختلفة. يمكن أن تؤثر تفاعلية الهيدروجين مع صخور الخزان على هياكل المسام، مما يؤثر على القدرة على الحقن وسعة التخزين. بينما تكون خسارة الهيدروجين أثناء التخزين ضئيلة، تحدث خسائر كبيرة من خلال الاحتجاز المتبقي، والتفاعلات الجيوكيميائية، وتسرب الصخور القابلة للغطاء. إن فهم هجرة السوائل عبر الخزانات أمر بالغ الأهمية، مع الأخذ في الاعتبار التغيرات المعدنية الناتجة عن تفاعل الهيدروجين.

تعد مجموعات البيانات الشاملة حول صخور الخزانات وتغيراتها مع تفاعل الهيدروجين ضرورية. ومع ذلك، توجد فجوات كبيرة في فهم التغيرات المعدنية والكيميائية والبتروفيزيائية عند تفاعل الهيدروجين. يمكن أن تؤدي النشاطات الميكروبية في الخزانات إلى تحويل الهيدروجين إلى غازات أخرى، مما يؤثر على سعة التخزين والسلامة. تعتبر خزانات النفط والغاز المستنفدة، التي لها سعات احتجاز معروفة ونطاقات ضغط تشغيلية، مناسبة لتخزين وإنتاج الهيدروجين على المدى المتوسط. على الرغم من كونها خيارًا جذابًا، إلا أن التكنولوجيا لتخزين الهيدروجين تحت الأرض في الخزانات المسامية لا تزال غير متطورة، مع بقاء بعض الشكوك.

تخزين الهيدروجين في حقول النفط والغاز المستنفدة يوفر مزايا مثل الغاز المتبقي المتاح للتوسيد وإمكانية الاحتفاظ بالغاز على المدى الطويل. الأطر الزمنية التجارية المتوسطة المدى لتخزين الهيدروجين أقصر من تلك الخاصة بتخزين ثاني أكسيد الكربون على المدى الطويل، مما يقلل من خطر تسرب الهيدروجين. البنية التحتية الحالية، والبيانات الجيولوجية، وآبار الحقول المستنفدة تعزز من جاذبيتها لتخزين الهيدروجين تحت الأرض مقارنة بالمياه الجوفية غير المختبرة. إدارة المساحة بكفاءة، وانخفاض تكاليف التخزين، وتوافر المعلومات الجيولوجية بسهولة تعزز من حجة استخدام حقول النفط والغاز المستنفدة لتخزين الهيدروجين.

في الختام، تتضمن طرق تخزين الهيدروجين الفيزيائية ضغط أو تسييل غاز الهيدروجين، مما يجعلها مناسبة للنقل ولكنها تتطلب طاقة كبيرة. الطرق المعتمدة على الحالة الصلبة، مثل الهيدريدات المعدنية أو الإطارات العضوية المعدنية، تربط الهيدروجين كيميائيًا داخل مصفوفة صلبة، مما يوفر سعات تخزين معتدلة في ظروف قريبة من الظروف المحيطة ولكنها غالبًا ما تتطلب درجات حرارة عالية للإفراج. التخزين تحت الأرض، باستخدام التكوينات الجيولوجية مثل كهوف الملح أو الخزانات المستنفدة، يوفر سعات تخزين هائلة ويمكن أن يستوعب احتياجات كبيرة من الهيدروجين ولكنه يتضمن بنية تحتية معقدة ومخاوف محتملة تتعلق بالسلامة. كل طريقة لها مزاياها وقيودها، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات مختلفة بناءً على عوامل مثل كثافة الطاقة والسلامة ومتطلبات البنية التحتية. يعتمد اختيار تقنية التخزين على الحالة الاستخدام المحددة والتوازن المطلوب بين عوامل مثل الكفاءة والتكلفة والسلامة.

تصميم وتحسين مواد تخزين الهيدروجين الكيميائية يأخذ في الاعتبار الجدوى الديناميكية الحرارية، مما يضمن امتصاص وإطلاق الهيدروجين بكفاءة طاقة. تؤثر الديناميكا على كفاءة أنظمة تخزين الهيدروجين من خلال تحديد معدل امتصاص الهيدروجين وإطلاقه. استقرار المواد أمر حيوي لتحمل دورات امتصاص وإطلاق الهيدروجين المتكررة دون تدهور، بينما تتيح القابلية للعكس الاستخدام المتكرر للمادة.

تتمثل القيود في استخدام الهيدروجين كحامل للطاقة غالبًا في التحدي المتمثل في تخزينه بشكل فعال. يتمتع الهيدروجين بكثافة طاقة حجمية منخفضة بشكل ملحوظ، حيث تبلغ حوالي في تحت الضغط الجوي. حاليًا، تتضمن الطريقة المعتمدة لتخزين الهيدروجين الضغط عند 70 ميجا باسكال، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة الحجمية لـ على مستوى النظام مع خزانات مركبة. لقد وجدت هذه الخزانات الهيدروجينية عالية الضغط بالفعل تطبيقات عملية في التسويق الأولي لمركبات الهيدروجين. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات الثابتة، يصبح استخدام الخزانات المضغوطة أقل جدوى بسبب تكلفتها الكبيرة، المقدرة بحوالي دولار أسترالي لكل على مستوى النظام

استخدام المواد المناسبة والمستدامة يعد متطلبًا حيويًا في تعزيز تطوير اقتصاد قائم على الهيدروجين. لقد استكشفت الدراسات النظرية والتجريبية على نطاق واسع جوانب مختلفة من تخزين الهيدروجين. تشمل الظواهر الرئيسية التي تعتبر محورية في تخزين الهيدروجين الفيزيسوربشن، الذي يتضمن تخزين الهيدروجين الجزيئي، والكيميسوربشن، الذي يركز على تخزين الهيدروجين الذري. تعتمد فعالية هذه المواد التخزينية بشكل كبير على جانبين حيويين: الكثافة الوزنية والكثافة الحجمية، مما يتطلب مواد خفيفة الوزن ومضغوطة. يتم قياس الكثافة الوزنية من خلال قسمة وزن الهيدروجين المخزن على وزن النظام بالكامل (الهيدروجين + الحاوية)، بينما يتم تحديد الكثافة الحجمية من خلال قسمة كتلة الهيدروجين المخزن على حجم الوحدة للنظام.

في نطاق المواد المتقدمة للتخزين، ظهرت عدة مجالات رئيسية، كل منها يقدم مزايا فريدة وآفاقًا لزيادة سعة تخزين الهيدروجين. لقد حظيت الهيدريدات المعدنية، المعروفة بقدرتها على احتواء كميات كبيرة من الهيدروجين، باهتمام كبير. تسعى الجهود البحثية بشغف إلى اكتشاف هيدريدات معدنية جديدة، من خلال استراتيجيات السبائك وتقنيات النانو لزيادة قدراتها التخزينية مع تحسين حركيات امتصاص الهيدروجين وإطلاقه.

تعمل الهيدريدات المعدنية كنظم تخزين كيميائية تحتفظ بالهيدروجين بشكل آمن في حالة صلبة من خلال عملية الامتصاص. تمتلك مواد معينة مثل المعادن، والمركبات بين المعدنية، أو السبائك القدرة على امتصاص الهيدروجين تحت ضغط معتدل في درجات حرارة منخفضة، مما يؤدي إلى تكوين مركبات صلبة قابلة للعكس تعرف باسم الهيدريدات المعدنية. تتيح هذه الآلية للامتصاص إمكانية تخزين الهيدروجين بكثافة عالية وضغط منخفض داخل الهيدريدات المعدنية، مما يوفر بديلاً أكثر أمانًا مقارنة بطرق التخزين الأخرى.

عند تقييم طرق التخزين المختلفة، فإن المقاييس الأساسية الأولية التي يتم النظر فيها غالبًا هي سعة التخزين الجاذبية وكثافة الطاقة الحجمية. عند تقييم الهيدريدات المعدنية، يتم تحديد السعة الجاذبية من خلال قسمة الحد الأقصى لكتلة الهيدروجين الممتص على كتلة مادة الهيدريد، والتي تقاس عادةً كنسبة مئوية بالوزن (wt%). بشكل عام، فإن مواد الهيدريدات المعدنية التي تقع ضمن فئة الهيدريدات البينية تظهر عادةً سعات تخزين جاذبية تتراوح من 1 إلى [196].

معايير اختيار مواد الهيدريد المعدني المخصصة لتطبيقات تخزين وضغط الهيدروجين تعتمد على عدة عوامل أساسية. أولاً، فإن قابلية عكس كل من عمليات تشكيل الهيدريد وتفكيكه تعتبر حاسمة ضمن درجات الحرارة وضغوط الهيدروجين المحددة المتعلقة بالتطبيق المعني. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يظهر المادة سعة تخزين هيدروجين ملحوظة وقابلة للعكس تحت هذه الظروف التشغيلية. يتم التعرف على هذه الخصائص من خلال خصائص الضغط-التركيب-درجة الحرارة الملاحظة في أنظمة غاز الهيدروجين ومواد تشكيل الهيدريد. ترتبط السعة القابلة للعكس بعرض الهضبة على منحنى الضغط-التركيب، حيث اتجاه العملية (الهيدروجين/. امتصاص أو إزالة الهيدروجين يعتمد إطلاق الهيدروجين على العلاقة بين الضغط الفعلي للهيدروجين وضغط الهضبة عند درجة الحرارة المعطاة. علاوة على ذلك، تشمل الخصائص الأساسية الأخرى لمواد الهيدريد المعدني لتخزين الهيدروجين وضغطه بكفاءة امتصاص الهيدروجين وإطلاقه بسرعة، والقدرة على مقاومة التسمم الناتج عن الشوائب في الهيدروجين المقدم، وسهولة التنشيط، والاستقرار الدوري المستدام، والتكلفة المعقولة، وسهولة التصنيع. تساهم هذه الصفات مجتمعة في ملاءمة مواد الهيدريد المعدني للتطبيقات العملية المتعلقة بالهيدروجين.

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة باستخدام الهيدريدات المعدنية يقدم العديد من المزايا مقارنة بالطرق التقليدية والبديلة. من الجدير بالذكر أن الهيدريدات المعدنية تظهر القدرة على تخزين كميات كبيرة من الهيدروجين، مما يظهر كثافات تخزين هيدروجين حجمية عالية، وتتميز بطبيعتها الأكثر أمانًا مقارنة بطرق التخزين الميكانيكية. تنبع ميزات الأمان الخاصة بها من قدرتها على العمل عند
تحدث درجات الحرارة والضغوط المنخفضة نسبيًا المشابهة لتلك الموجودة في مركبات خلايا الوقود، ويحدث إطلاق الهيدروجين من الهيدريدات المعدنية عبر عملية ماصة للحرارة. يمكن أن يحدث تحرير الهيدروجين من الهيدريدات المعدنية إما من خلال زيادة في درجة الحرارة أو تقليل في الضغط الخارجي.

لقد برز سبك المعادن المختلفة كاستراتيجية واعدة لتعزيز سعة تخزين الهيدريدات المعدنية. يُعتبر السبك، وهو عملية دمج المعادن المختلفة لتشكيل مادة جديدة، ذا إمكانيات كبيرة في تعديل خصائص الهيدريدات المعدنية لتحسين تخزين الهيدروجين. تستفيد هذه التقنية من التآزر بين المعادن لتحقيق سعات تخزين محسّنة من خلال تركيبات معدلة وتعديلات هيكلية.

في السنوات الأخيرة، أصبحت الهيدريدات المعقدة، وهي فئة من الهيدريدات تتكون من مركبات تشمل عناصر خفيفة مثل ، و/أو Mg ، قد حظيت باهتمام كبير. ضمن هذه المركبات، يشكل الهيدروجين روابط (غير) تساهمية مع عنصر معدني أو غير معدني آخر (X)، وعادة ما يتم تمثيله كـ تتميز هذه الهيدريدات المعقدة بمحتواها العالي من الهيدروجين، مما أثار اهتمامًا كبيرًا وتركيزًا بحثيًا في تطبيقات تخزين الهيدروجين. ينبع الاهتمام الكبير بالهيدريدات المعقدة من كثافتها العالية من الهيدروجين وقدرتها على عمليات الإزالة/إعادة الهيدروجين دون الحاجة إلى ضغوط عالية أو درجات حرارة منخفضة. ينشأ هذا الاهتمام المتزايد بسبب الإمكانات المثيرة لتخزين الهيدروجين والظروف الملائمة المطلوبة لإطلاق وامتصاص الهيدروجين داخل هذه المواد.

تظهر الهيدريدات المعقدة تركيبات كيميائية وروابط متنوعة، ناتجة عن طيف واسع من الأنيونات المعقدة المشتقة من دمج الهيدروجين مع عناصر مثل البورون والنيتروجين والكربون والأكسجين والألمنيوم والمعادن الانتقالية وغيرها. تسمح هذه الطبيعة المتنوعة بوجود مجموعة واسعة من المواد ذات الوظائف القابلة للتعديل، مما يوفر مجالًا واسعًا لتحسين الخصائص. فيما يتعلق بتخزين الهيدروجين في الهيدريدات المعقدة، تتضمن العملية تفكك ثنائي الهيدروجين إلى ذرات هيدروجين على السطح، تليها انتشار الهيدروجين في الطور الكتلي. الآليات الكامنة وراء هذه الظاهرة، بما في ذلك الانقسام الهوموليتي أو الهتيروليتي للهيدروجين على سطح الهيدريدات المعقدة، تظهر تشابهات مع تنشيط وتحويل الهيدروجين على أسطح المعادن الانتقالية. علاوة على ذلك، تمتلك بعض الهيدريدات المعقدة طبيعة مختزلة وغنية بالإلكترونات، مما يمكنها من تزويد الإلكترونات التي تسهل عمليات التحويل الكيميائي. تضيف هذه الخاصية إلى تعددية الاستخدامات والتطبيقات المحتملة للهيدريدات المعقدة في الوساطة بين تفاعلات كيميائية متنوعة تتضمن الهيدروجين.

لقد ظهرت الهيدريدات المعقدة مثل الألانيتات والبوروهيدريدات كمواد واعدة لتخزين الهيدروجين، مما جذب اهتمامًا كبيرًا في الآونة الأخيرة [202]. على الرغم من إمكانياتها، فإن الديناميكا الحرارية والحرارية لها ليست مناسبة للدورات تحت ظروف ضغط أو درجة حرارة معتدلة. ومع ذلك، فإن الهيدريدات على النانو، التي تتميز بمساحات سطحية كبيرة، وحدود حبيبية وفيرة، ومسافات انتشار أقصر، تظهر امتصاصًا وإطلاقًا أسرع للهيدروجين عند درجات حرارة أقل مقارنةً بالهيدريدات الكتلية [203]. تتضمن الطريقة التقليدية لتحضير الهيدريدات على النانو الطحن الكروي عالي الطاقة، الذي يقلل ميكانيكيًا من حجم الجسيمات. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة من الأعلى إلى الأسفل غالبًا ما تؤدي إلى توزيع واسع لحجم الجسيمات، مع أصغر حجم يمكن تحقيقه حوالي 100 نانومتر، على الرغم من تقليل حجم البلورات إلى بضع نانومترات. وغالبًا ما تفتقر هذه الجسيمات إلى تأثير الحجم الكبير، مما يستلزم استخدام طرق بديلة [204].

على النقيض من ذلك، فإن الحبس النانوي، وهو استراتيجية حديثة من الأسفل إلى الأعلى، ينتج هيدريدات نانوية أصغر وأكثر تجانسًا من خلال تسرب الهيدريدات في الهياكل الداعمة. لقد نجح هذا النهج المبتكر في إنتاج الألانيتات المحبوسة نانوياً [205،206]، وبوران الأمونيا [207-209]، وبوروهيدريدات [210]، وهيدريدات المغنيسيوم داخل السيليكا المسامية [211،212]، والكربونات النانوية [213]، وإطارات العضوية المعدنية [214].

لقد ركزت الأبحاث المكثفة على الألانيتات، وهي مجموعة فرعية من الهيدريدات المعقدة التي تتميز بأيون معدني. أنيون. استكشاف الألانيتات لتخزين الهيدروجين القابل للعكس، وخاصةً المحفز بواسطة التيتانيوم في قد حظي باهتمام كبير في مجال الهيدروجين
بحث التخزين [201]. تتميز بين الألانيتات المدروسة، كونها المادة الأكثر بحثًا بسبب عدة خصائص ملائمة. تتميز بحرارة تفاعل معتدلة أثناء إعادة الهيدروجين/إزالة الهيدروجين، وكثافات هيدروجين وزنية وحجمية نسبياً عالية. و على التوالي) [215]، ومواد خام اقتصادية (الألمنيوم وNaH). ومع ذلك، فإن التطبيق العملي لـ تواجه تحديات بسبب حركتها البطيئة في التفاعل. لمعالجة هذه القيود، تم استخدام طرق متنوعة، مثل إضافة مواد مضافة ومحفزات مثل المعادن الانتقالية. )، المعادن النادرة ( . ) والمواد القائمة على الكربون. يتم إدخال هذه المواد إلى من خلال طرق مثل التخصيب الرطب، الطحن الكروي، أو التخليق المباشر [201،216].

علاوة على ذلك، تتضمن تقنيات النانو المحصورة تغليف داخل المواد المسامية أظهرت فعالية في تعزيز خصائص تخزين الهيدروجين. وقد أظهر هذا النهج المبتكر وعدًا في التغلب على القيود الحركية لـ ، مما يفتح آفاقًا لتحسين فائدته العملية في تطبيقات تخزين الهيدروجين [217،218].

لقد حظيت الألانيتات باهتمام كبير بسببenthalpies dehydrogenation المناسبة وسعات الهيدروجين العالية؛ ومع ذلك، تواجه تحديات تتعلق بسعات عكسية غير كافية. وبالمثل، تعرض مركبات الأميد-هيدريد ديناميات حرارية مواتية وسعات هيدروجين ولكن تواجه مشكلات مثل الحركية البطيئة وإنتاج الأمونيا كمنتج جانبي. على الرغم من أن البوروهيدريدات تمتلك محتويات هيدروجين جاذبية عالية، إلا أنها تعاني من حركية بطيئة، وتوليد منتجات جانبية، وعدم القابلية للعكس. على مر الزمن، سعت المجتمع العلمي بنشاط إلى إيجاد حلول للتغلب على هذه العيوب، مما أدى إلى تطوير استراتيجيات مختلفة. تم وضع العديد من الاستراتيجيات الناجحة لمعالجة هذه القيود، بما في ذلك تحسين التعديلات التركيبية من خلال استبدال الأنيونات و/أو الكاتيونات، وتشكيل مركبات مع هيدريدات أو مركبات أخرى، أو تنسيق جزيئات محايدة مع الكاتيون من الهيدريدات المعقدة. تشمل نهجًا آخر التعديل التحفيزي من خلال إدخال محفزات أو إضافات قادرة على تعزيز حركية امتصاص الهيدروجين وإطلاقه. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تقنيات النانو-تقييد، التي تتضمن دمج الهيدريدات المعقدة في مضيفات نانوية مسامية، لتعديل الحركية و/أو الديناميات الحرارية.

علاوة على ذلك، تظهر مواد مرشحة جديدة في مجال تخزين الهيدروجين. على سبيل المثال، الهيدريدات المعدنية العضوية، التي تجمع بين المكونات غير العضوية والعضوية، تمتلك كيمياء متعددة الاستخدامات، مما قد يوسع نطاق تصميم وتطوير المواد. وبالمثل، فإن الهيدريدات المعقدة العضوية، مع تنوع مركباتها العضوية وكيميائها المتعددة الاستخدامات، تظهر إمكانيات وتستحق المزيد من التحقيق. إن تراكم البيانات التجريبية والنظرية يعزز باستمرار فهمنا للخصائص الفيزيائية والكيميائية للهيدريدات المعقدة. لقد حفزت هذه المعرفة المتطورة استكشاف مجالات بحث جديدة، تهدف إلى تزويد الهيدريدات المعقدة بقدرات محسنة لمواجهة التحديات في إنتاج الطاقة النظيفة وتخزينها وتحويلها. تشمل هذه الاستراتيجيات تغييرات تركيبية، وتعديلات تحفيزية، وحصر نانوي، كل منها يقدم مسارات فريدة لتعزيز أداء الهيدريدات المعقدة في تخزين الهيدروجين والتطبيقات ذات الصلة.

تتميز المواد المسامية بشبكتها المعقدة من المسام ومساحات السطح المحددة العالية، وقد جذبت الانتباه لقدرتها على امتصاص وتخزين كميات كبيرة من الهيدروجين [115]. من بين هذه المواد، حظيت الإطارات العضوية المعدنية (MOFs) باهتمام كبير كمواد تم بحثها بشكل مكثف كمواد ماصة للهيدروجين بسبب هياكلها المميزة التي تتكون من أيونات أو تجمعات معدنية مرتبطة بواسطة روابط عضوية. توفر هذه الإطارات تنوعًا هيكليًا هائلًا وقابلية للتعديل، مما يمكّن من إنشاء إطارات مصممة خصيصًا بأحجام مسام ووظائف محددة بدقة. هذه الخاصية الاستثنائية تجعل من MOFs مرشحين واعدين لتخزين الهيدروجين، مما يمنح تحكمًا دقيقًا في مساحة السطح وحجم المسام لتعزيز امتصاص الهيدروجين [219].

تحدث تشكيلات MOFs البلورية الدقيقة المسامية من خلال
التجميع الذاتي لمجموعات المعادن غير العضوية والروابط العضوية. تقدم هذه العملية الفريدة للتجميع العديد من التباينات في وحدات البناء، مما يساهم في الطيف الواسع من الخصائص التي تظهرها MOFs، لا سيما من حيث المساحة السطحية، التي غالبًا ما تتجاوز تلك الخاصة بالمواد الأخرى. ومع ذلك، بينما تتيح هذه المرونة في التصميم تخصيص خصائص MOF، فإنها تقدم تحديات في تحديد التركيبات المثلى بسبب المساحة الواسعة من المعلمات التي تحتاج إلى استكشاف.

في السنوات الأخيرة، تم التركيز بشكل كبير على تحسين أداء MOFs من خلال دمجها مع مجموعة متنوعة من المواد الوظيفية، بما في ذلك البوليمرات [222]، الجرافين [223]، جزيئات المعادن النانوية (NPs) [224]، الإنزيمات [225]، والكربونات [226]. الاستراتيجيات المستخدمة في إنشاء المواد المركبة تهدف إلى تعزيز القدرات الجوهرية لكل مكون، بالإضافة إلى توليد خصائص فيزيائية وكيميائية جديدة من خلال التأثيرات التآزرية. إن دمج MOFs مع المواد الوظيفية يقدم إمكانيات كبيرة في دفع التقدم في تقنيات الطاقة، لا سيما في مجال تخزين الهيدروجين [227].

تعتبر عملية التحلل الحراري لمواد الإطار المعدني العضوي (MOFs) وسيلة بارزة لتعزيز وظائفها، حيث تحول هذه العملية الروابط العضوية والعقد المعدنية إلى مواد متنوعة حيوية لتطبيقات الطاقة، بما في ذلك الكربونات المسامية، وأكاسيد المعادن، وكبريتيدات المعادن، والهجائن متعددة المكونات. تتيح ظروف هذه العمليات، مثل درجة الحرارة، والمدة، وتركيب الغاز، التحكم الدقيق في هياكل المنتجات ونسب المكونات، مما يسهل دمج وظائف متنوعة. من خلال الاستفادة من المزايا الموروثة من MOFs، مثل هياكل المسام المرتبة جيدًا والمساحات السطحية العالية، تظهر هذه المشتقات أداءً معززًا بشكل ملحوظ مقارنة بالمواد التي تم تصنيعها تقليديًا [227-229].

إن إدخال الأكسجين أو النيتروجين أو أي مجموعة غنية بالإلكترونات أخرى في هيكل MOFs يمثل استراتيجية أخرى لتحسين سعة تخزين الهيدروجين [230]. توفر هذه المواد مواقع نشطة متزايدة بسبب التعديلات في الهياكل الإلكترونية والهندسية، مما يظهر خصائص محسنة ناتجة عن تغيير التركيب الأساسي والهيكل للمواد [227]. وقد تم الإبلاغ عن هذه الاستراتيجية من قبل لي وآخرين [156]، الذين استخدموا ربيطة كربوكسيلات نيتروجينية غير متجانسة؛ 2،2-بيبيريدين-5،5′-ديكربوكسيليت (bpdc) مع ملح معدني قائم على الزركونيوم لإنتاج UiO(bud). وقد وُجد أن سعة التخزين لهذه المادة كانت عند 77 كلفن و2 ميغاباسكال مقارنةً بـ تم الحصول عليها من قبل جامعة أوسلو الإطار 67 (UIO-67) [231] بسبب تثبيت مواقع القاعدة لويس (bpdc) على سطح المسام دون فقدان المسامية العالية الأصلية. بالإضافة إلى ذلك، هناك استراتيجيات أخرى يمكن استخدام MOFs فيها في تخزين الهيدروجين.

تماشيًا مع الاستراتيجيات المذكورة أعلاه، قام ما وآخرون [157] بالتحقيق في كفاءة مركبين يستخدمان هيدريد المغنيسيوم مع مركبات عضوية معدنية قائمة على الكوبالت (II) والحديد (II) تم تحضيرها عن طريق الطحن الكروي. انخفضت سعة التخزين الوزنية من استخدام هيدريد المغنيسيوم لـ و باستخدام مركبات MOF القائمة على الكوبالت وتلك القائمة على الحديد، على التوالي، عند 648 كلفن و1 ميغاباسكال. ومع ذلك، انخفضت طاقة التنشيط من حوالي استخدام هيدريد المغنيسيوم لـ و بواسطة MOF المعتمد على الحديد وMOF المعتمد على الكوبالت، على التوالي. أيضًا، فإن درجات حرارة إزالة الهيدروجين لمركبات هيدريد المغنيسيوم-MOF الكوبالت وهيدريد المغنيسيوم-MOF الحديد هي و مقارنة بـ 181 باستخدام هيدريد المغنيسيوم النقي. قام لو وآخرون [158] بتخليق مركب من MOF قائم على الفاناديوم وهيدريد المغنيسيوم الذي حقق إطلاق الهيدروجين من في 5 دقائق فقط عند 573 كلفن و3.2 ميغاباسكال مع انخفاض واضح في كل من طاقات تنشيط الامتصاص والإطلاق من 157 إلى ومن 98 إلى ، على التوالي. لذا، تم التحقق من قدرة هذه المواد الإطار المعدني العضوي على تحسين حركية إطلاق الهيدروجين من مواد التخزين الأخرى.

في مجال المواد المسامية، تشكل المواد القائمة على الكربون، بما في ذلك الكربون المنشط، وأنابيب الكربون النانوية، والجرافين، فئة هامة. تشتهر هذه المواد بخصائصها الاستثنائية، بما في ذلك المساحة السطحية العالية، والقوة الميكانيكية الملحوظة، و
لقد حظيت هذه المواد باهتمام كبير بسبب إمكانياتها في تطبيقات تخزين الهيدروجين، نظرًا لكونها تتمتع بموصلية حرارية عالية. ومن الجدير بالذكر أن الجرافين وأنابيب الكربون النانوية تظهران قدرات مثيرة للإعجاب في امتصاص الهيدروجين، وذلك بفضل مساحاتها السطحية الواسعة والمتاحة وهياكلها المسامية.

تمت دراسة مواد الكربون المتنوعة، بما في ذلك الكربون المنشط، وهلام الكربون، والكربون المطبوع، وأنابيب الكربون النانوية، وألياف الكربون، والجرافين، بشكل مكثف كوسائط محتملة لتخزين الهيدروجين. يمكن أن تُشتق هذه المواد من سلف الكربون الاصطناعية أو من مصادر طبيعية مثل الخشب، والفحم، والمنتجات الثانوية الزراعية، والكتلة الحيوية، باستخدام طرق تخليق متنوعة. يمكن تخصيص الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مثل المساحة السطحية المحددة، ومساحة السطح الميكروية، وحجم المسام الكلي، وحجم المسام، بدقة من خلال اختيار طرق التخليق المناسبة والمعلمات التجريبية ذات الصلة، مما يؤدي إلى تحسين قدرة امتصاص الهيدروجين داخل هذه الكربونات المسامية.

يتضمن تحسين أداء مواد الكربون المسامية في امتصاص الهيدروجين جسديًا استراتيجيات لتحسين الديناميكا الحرارية لارتباط الهيدروجين. تم اتباع نهجين أساسيين لهذا الغرض. تتضمن الطريقة الأولى زيادة المساحة السطحية المحددة لمواد الكربون مع إنشاء مساحات مسامية مصممة على مقياس النانومتر لزيادة مواقع الامتصاص وآبار الإمكانية. تركز الطريقة الثانية على تفعيل مواد الكربون المسامية عن طريق إضافة عناصر خفيفة، مما يؤدي إلى نقص في الإلكترونات وزيادة قطبية إطار الكربون، مما يعزز تفاعل الهيدروجين مع الركيزة. تم تحديد تطوير مواد كربونية مسامية ذات مساحة سطح عالية وحرارات امتصاص هيدروجين متوسطة كأمر محوري لتخزين الهيدروجين القابل للعكس في ظروف محيطية، مما يدل على دورها الضروري في اقتصادات الهيدروجين المستقبلية.

في العقود الأخيرة، حقق الحوسبة العلمية تقدمًا ملحوظًا في اكتشاف وتطوير مواد جديدة، حيث تلعب دورًا محوريًا في دعم الجهود التجريبية. مع التقدم في مختلف التخصصات مثل الفيزياء، والكيمياء، وعلوم المواد، وعلوم الحاسوب، أصبحت التقنيات الحسابية فرعًا لا غنى عنه ضمن مجال علوم المواد والتكنولوجيا. ساهم هذا الانخراط بشكل مباشر أو غير مباشر في إنشاء مواد جديدة متنوعة، بما في ذلك المواد النانوية ذات الأبعاد المنخفضة، ومواد بطاريات أيونات الليثيوم، والعوازل الطوبولوجية. كانت الأساليب الحسابية في البداية محدودة بالخوارزميات، وقدرات البرمجيات، والقوة الحاسوبية، وكانت تقتصر في الغالب على تحليل وتفسير النتائج التجريبية. ومع ذلك، اتسعت تطبيقاتها بشكل كبير مع مرور الوقت.

في البحث العلمي المعاصر، تُستخدم الأساليب الحسابية على نطاق واسع لاستكشاف المبادئ الأساسية التي تحكم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد. تساعد في إنشاء علاقات كمية شاملة بين التركيب، والبنية، وخصائص المواد. في مجال تطوير التكنولوجيا، تلعب الحوسبة دورًا حاسمًا في فحص تركيبات وهياكل المواد الجديدة بينما تعمل على تحسين المعلمات لتصنيعها ومعالجتها افتراضيًا. علاوة على ذلك، تعتبر الأساليب الحسابية جزءًا لا يتجزأ من نشر المواد. تسهل تعزيز المواد الجديدة بسرعة، وتحسين خصائص أدائها، وتشخيص الأضرار المتراكمة، والتنبؤ بعمرها الافتراضي. تقدم التعقيدات المتزايدة للمواد تحديات كبيرة في تصميمها وتطويرها. تنبع هذه التحديات من مكوناتها المتعددة الأوجه، وهياكلها المتنوعة، وعملياتها المعقدة، وبيئات الخدمة المتنوعة.

تتضمن طريقة اكتشاف المواد من الجيل الثاني، الفحص عالي الإنتاجية، حساب خصائص العديد من الهياكل لتحديد تلك التي تلبي معايير محددة ولها طاقات منخفضة، والتي يتم اختيارها بعد ذلك للتخليق. عادةً ما تتضمن عملية الفحص عالي الإنتاجية الحسابية أربع خطوات رئيسية: تحديد
الخصائص المستهدفة، تعريف مساحات الفحص، توقع الخصائص، واختيار المواد المرشحة. يُعتبر تحديد الخصائص المستهدفة من بين الخطوات الأكثر أهمية وتحديًا في هذه العمليات. بالنسبة لعلماء المواد، فإن تسمية الخصائص الماكروسكوبية المرغوبة للمواد الوظيفية في أجهزة تحويل أو تخزين الطاقة عمومًا ممكنة.

نتيجة لذلك، يتضمن تصميم مواد جديدة عملية متعددة الأوجه تشمل العديد من المعلمات، والإجراءات، والمسارات. تؤدي مجموعة المتغيرات الواسعة وتركيباتها المحتملة في تصميم المواد إلى مساحة تصميم شاسعة تتجاوز بكثير نطاق التجارب التقليدية القائمة على المحاولة والخطأ. وبالتالي، أصبحت تقنيات الفحص الافتراضي الفعالة ضرورية لتضييق المساحة، مما يسمح ببحث تجريبي أكثر تركيزًا واستراتيجية.

في نمذجة المواد، يتم عادةً وصف التفاعلات بين الذرات باستخدام طرق الطاقة-القوة المصنفة كطرق شبه تجريبية، وطرق من المبادئ الأولى. تعتمد الطرق شبه التجريبية على مجالات القوة أو الإمكانيات الكلاسيكية، المخصصة بمعلمات محددة لتعكس النتائج التجريبية أو نتائج الكيمياء الكمومية. تتيح هذه الأساليب دراسات واسعة لمواد تخزين الهيدروجين عبر نطاقات حرارية ديناميكية متنوعة، مع الحفاظ على مستوى معقول من التعقيد. تشمل قدرتها الفريدة حتى نمذجة التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك تكوين الروابط وكسرها من خلال مجالات القوة التفاعلية المخصصة. ومع ذلك، قد تتراجع قابليتها للتطبيق عند استقراءها إلى ظروف تختلف عن تصميمها الأولي. تتيح هذه الطرق، نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة، نمذجة صريحة لتأثيرات الاضطراب الحراري والهيكلي، والتي تعتبر محورية في محاكاة مواد تخزين الهيدروجين. على سبيل المثال، تؤثر التأثيرات النووية الكمومية بشكل كبير على امتصاص الغاز في هذه المواد عند درجة حرارة الغرفة. وقد أوضحت التحليلات المتعمقة باستخدام الإمكانيات شبه التجريبية وتقنيات المحاكاة الكمومية، مثل طرق مونت كارلو ذات التكامل المساري، دور التأثيرات النووية الكمومية في عمليات مثل امتصاص جزيئات الهيدروجين والديوتيريوم على أنابيب الكربون النانوية.

من ناحية أخرى، توفر طرق المبادئ الأولى، مثل مونت كارلو الكمومي، تفاصيل تفاعل الذرات مباشرة من الميكانيكا الكمومية، مما يضمن دقة أعلى في الدراسات الحسابية. من بين هذه الطرق، تبرز نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) بسبب دقتها المتوازنة وكفاءتها الحاسوبية، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في أبحاث مواد تخزين الهيدروجين.

في مجال MOFs، تعتمد التحقيقات الحسابية بشكل أساسي على تقنية محاكاة مونت كارلو الكبرى (GCMC) لتقييم الامتصاص داخل هذه الهياكل. لقد أثبتت GCMC أنها أداة فعالة في التنبؤ بدقة بامتصاص الغاز في المواد المسامية، مما يجعلها مكملًا قيمًا لمخططات امتصاص الغاز التجريبية. بالنسبة لمحاكاة GCMC، تشمل المدخلات الأساسية ملف معلومات البلورة (CIF) لـ MOF. يمكن الحصول على هذه الملفات من المنشورات التي تتناول تخليق MOF، أو قواعد البيانات الجاهزة للحوسبة مثل CoRE-MOF التي تقدم CIFs لمحاكاة الجزيئات، أو قاعدة بيانات كامبريدج الهيكلية التي تسجل CIFs لـ MOF المودعة. إلى جانب CIFs، تتطلب محاكاة GCMC إمكانيات لـ الجزيئات (مثل إمكانيات بوش، داركرم، وليفسك) وMOFs (مثل Universal Force Field وDreiding)، بالإضافة إلى معلومات عن درجة الحرارة والضغط أثناء عملية الامتصاص.

تتضمن الطريقة النموذجية مقارنة امتصاص الغاز من محاكاة GCMC مع امتصاص الغاز المقاس تجريبيًا تحت ظروف درجة حرارة وضغط متطابقة لتحديد والتحقق من معلمات المدخلات لمحاكاة GCMC. توفر هذه المحاكاة بيانات عن كمية الغاز الممتص داخل MOF تحت ظروف محددة وتقدم رؤى حول حرارة الامتصاص، والتي تعكس تفاعلات الغاز مع الممتص عند الأحمال المنخفضة. تعتبر الكمية الكمية للغاز الممتص أساسًا لحساب الكمية القابلة للتسليم. سعة المادة، التي تمثل كمية الهيدروجين المنبعثة بين ضغوط الامتصاص والانفصال. لقد تسارعت الأعداد المتزايدة من MOFs التي تم تصنيعها تجريبيًا وتصميمها نظريًا، جنبًا إلى جنب مع التقدم في الأدوات الحاسوبية وزيادة القدرة الحاسوبية،
جهود في الفحص الحسابي عالي الإنتاجية (HTCS) للمواد من أجل التخزين. يتيح HTCS التقييم السريع للعديد من المواد، مما يسمح بتحديد أكثر المرشحين وعدًا المصممين لتطبيقات محددة بناءً على معايير الأداء المحددة مسبقًا [241].

التفاعل بين MOFs و يؤثر بشكل كبير على المنتج النهائي السعة، التي تؤثر على سعة تشبع المادة عند ضغط الامتصاص وكمية الغاز المنطلق عند ضغط الإزالة. تحقيق قدرة عالية قابلة للتسليم تعتمد القدرات على تحسين هذا التفاعل لتحقيق توازن ليس قوياً بشكل مفرط ولا ضعيفاً جداً. تم بذل جهود لتعزيز الممتزات- التفاعلات في درجة حرارة الغرفة من خلال تنفيذ تعديلات. تم استخدام تعديل الألكوكسيد المغنيسيوم على الهياكل الإطارية المعدنية العضوية والأطر العطرية المسامية، مما أدى إلى إنشاء وتقييم 18,383 مادة افتراضية. خضعت هذه المواد الجديدة للتدقيق من خلال محاكاة GCMC لتقييم قدرتها على تحسين الممتزات- التفاعلات [242].

أحمد وآخرون [243] قاموا بإجراء فحص حسابي لـ 5309 مادة عضوية معدنية (MOFs) وحددوا مرشحين واعدين بكثافات هيدروجين جاذبية وحجمية عالية. تم إجراء تقييمات تجريبية، وأظهرت المادة العضوية المعدنية المسماة IRMOF-20 تركيبة غير عادية من السعات الحجمية والجاذبية القابلة للاستخدام العالية. تجاوزت السعات المقاسة لـ IRMOF-20 تلك الخاصة بالمركب القياسي MOF-5، الذي يعتبر معيارًا للأداء المدمج الحجم والجاذبية. وُجد أن التنبؤات الحسابية كانت الأكثر دقة عند استخدام حسابات مونت كارلو الكبرى المستندة إلى بزوغ فينمان-هيبس. سمحت هذه الحسابات بتقدير سعات الهيدروجين في المواد العضوية المعدنية. تسلط الدراسة الضوء على أهمية الفحص الحسابي في تحديد المواد التي تعزز الأداء العام للتخزين. كما تتناول التحدي المتمثل في تحقيق التوازن بين كثافات الهيدروجين الجاذبية والحجمية في المواد العضوية المعدنية، وهو أمر حاسم لتعظيم مدى قيادة مركبات خلايا الوقود.

بعد ذلك، يقدم نفس فريق البحث تقييمًا منهجيًا لقدرات تخزين الهيدروجين في MOFs. قام المؤلفون بفحص قاعدة بيانات تحتوي على ما يقرب من 500,000 MOFs حقيقية وافتراضية بشكل حسابي، وقاموا بتقييم المواد الأكثر وعدًا تجريبيًا. وقد حددوا ثلاثة MOFs، وهي SNU-70 وUMCM-9 وPCN-610/NU100، التي تتجاوز سعتها القابلة للاستخدام تلك الخاصة بـ MOF20 المرجعي، الذي كان لديه أعلى أداء مجمع حجمي ووزني سابقًا. كشفت تحليل الاتجاهات عبر قاعدة البيانات عن سقف حجمي عند حوالي ، مما يشير إلى الحاجة إلى تطوير مواد ماصة ذات سعات حجمية أكبر. على عكس الدراسات السابقة، وُجد أن السعات القابلة للاستخدام في أفضل المواد العضوية الإطارية المعدنية كانت مرتبطة سلبًا بالكثافة ومساحة السطح الحجمية، ولكن تم تعظيمها من خلال زيادة مساحة السطح الكتلي والمسامية. وهذا يشير إلى أن الاتجاهات المتعلقة بالخصائص والأداء التي تم تحديدها للسعات الكلية قد لا تنطبق على السعات القابلة للاستخدام. أظهرت النتائج المحسوبة أن السعات الحجمية زادت مع زيادة السعة الكتلية حتى حوالي ، حيث استقر الأداء الحجمي بعد ذلك. حددت الدراسة 102 مركبًا أظهرت سعات قابلة للاستخدام أكبر من تلك الخاصة بـ MOF20 على أساس حجمي ووزني [221].

ركز دينيز وآخرون [244] على الدراسة الحاسوبية لمركبات الجرافين المدعمة بالفوليرين المخدر بالليثيوم (Li-FPGNs) لتعزيز تخزين الهيدروجين. استخدمت الدراسة محاكاة GCMC لفحص فيزيوربشن الهيدروجين في Li-FPGNs تحت ظروف درجات حرارة وضغوط مختلفة. أظهرت محاكاة GCMC أن أداء امتصاص الهيدروجين في FPGNs غير المدعمة يمكن تحسينه بشكل كبير من خلال إضافة الليثيوم واختيار أنواع مختلفة من الفوليرينات. قام الباحثون بتحسين الأداء الجاذبي والكتلي والحجمي والقابل للتسليم لامتصاص الهيدروجين في FPGNs من خلال النظر في نسب وأنواع مختلفة من الفوليرينات. أظهرت النتائج أن Li-FPGNs مع نسبة دوجة من أظهرت قدرات واعدة في تخزين الهيدروجين. عند 77 كلفن و1 بار، بلغت السعة الإجمالية لامتصاص الوزن لـ Li-FPGNs الذي يمثل
زيادة تقريبية بمقدار الضعف مقارنةً بـ FPGNs غير المنقاة.
بالإضافة إلى ذلك، زاد تشويب الليثيوم من سعة تخزين الهيدروجين الزائد في FPGNs حتى ثلاثة أضعاف عند درجة حرارة الغرفة. تشير هذه النتائج إلى أن Li-FPGNs تحمل إمكانيات كمواد فعالة لتطبيقات تخزين الهيدروجين. من خلال استخدام طرق حسابية مثل محاكاة GCMC، توفر الأبحاث رؤى قيمة حول تحسين أداء Li-FPGNs في امتصاص الهيدروجين. تبرز القيم العددية، مثل سعة الامتصاص الوزني ونسب التحسين، التعزيزات الكبيرة التي تم تحقيقها من خلال تشويب الليثيوم في النانومركبات المدروسة.

لدراسة خصائص تخزين الهيدروجين في الأطر العضوية التساهمية، قام بيان وآخرون [245] بالتحقيق في الخصائص الهيكلية وخصائص تخزين الهيدروجين لخمس أطر عضوية تساهمية قائمة على مكعبات البورون والفوسفور (BP-COFs) باستخدام نظرية دالة الكثافة والمحاكاة الجزيئية. تركز الدراسة على جوانب الكيمياء الحاسوبية المتعلقة بتخزين الهيدروجين. قام الباحثون بتوصيف هياكل الخمس BP-COFs ودرسوا خصائص امتصاص الهيدروجين من خلال محاكاة GCMC. تم إجراء المحاكاة عند درجات حرارة 77 كلفن و298 كلفن تحت ضغط أظهرت النتائج أن BP-COF-4 و BP-COF-5 أظهرا قدرات أعلى على امتصاص الهيدروجين مقارنة بـ BP-COF-1 إلى BP-COF-3 عند كلا درجتي الحرارة. في مجال الكيمياء الحاسوبية، استخدم المؤلفون حسابات DFT والمحاكاة الجزيئية للحصول على رؤى حول قدرات تخزين الهيدروجين لمواد BP-COFs. تتيح هذه الطريقة استكشاف وتقييم مواد مختلفة وخصائصها الهيكلية، مما يساعد في تصميم وتطوير مواد تخزين الهيدروجين الفعالة.

فيما يتعلق بالهيدريدات المعدنية، استكشف لي وآخرون [246] استخدام الجرافين كعامل حفاز لتحسين حركيات إزالة الهيدروجين. لتخزين الهيدروجين. تستخدم الدراسة طرق الكيمياء الحاسوبية، وتحديداً حسابات المبادئ الأولى المعتمدة على دالة الكثافة (DFT) مع ت polarisation spin. قام الباحثون بدراسة تأثير المواد المضافة من الجرافين على إطلاق الهيدروجين من لقد تم إثبات أن المواد المضافة من الجرافين، وخاصة الجرافين المشوب بالبورون والفوسفور (BP@graphene)، يمكن أن تعزز عملية إزالة الهيدروجين من خلال تقليل كل من حاجز التفاعل وطاقة التفاعل. وقد توقعت النتائج الحاسوبية أن يظهر الوصل غير المتجانس من الجرافين ديناميات حرارية وكينتيكيات ممتازة لإزالة الهيدروجين.

في مقال نُشر مؤخرًا، قدم رنا وآخرون [247] نهجًا حسابيًا لتحليل وتوقع الخصائص الديناميكية الحرارية للهيدريدات المعدنية، مع التركيز على تطبيقات تخزين الهيدروجين. طور المؤلفون إطارًا يعتمد على طريقة مونت كارلو العكسية (RMC) وطبقوه على نظام هيدريد النيكل (NiHx). باستخدام نهجهم، تمكن المؤلفون من بناء مخطط الطور لـ NiHx بدقة في غضون دقائق، مع الأخذ في الاعتبار أقل من 10 تكوينات. هذا أسرع بكثير مقارنةً بالتقنية الشائعة GCMC، التي تتطلب أخذ عينات من ملايين التكوينات. يوفر سير العمل الحسابي المقدم في الورقة حلاً واعدًا لتحليل وتوقع الخصائص الديناميكية الحرارية للهيدريدات المعدنية بسرعة، مما يسهل اكتشاف المواد في مجال تخزين الهيدروجين. تظهر النتائج كفاءة نهج RMC في دمج المصطلحات التكوينية وبناء مخططات الطور بدقة. العبء الحسابي لطريقة RMC ضئيل مقارنةً بالطرق التقليدية، مما يجعلها مناسبة للأنظمة التي تحتوي على عدد كبير من الذرات. كما تسلط الدراسة الضوء على أهمية التقنيات الحسابية في تسريع اكتشاف وتحسين المواد لتخزين الهيدروجين.

ركز جينغ وآخرون [248] على تطوير الهيدريدات المعدنية العضوية لتخزين الهيدروجين من خلال الجمع بين التنبؤات النظرية والتحقق التجريبي. الهدف هو تحديد المواد ذات السعات العالية للهيدروجين والديناميات الحرارية المناسبة لامتصاص الهيدروجين وإطلاقه بكفاءة. قامت الدراسة بفحص أكثر من 90 هيدريدًا معدنيًا عضويًا نظريًا، مع الأخذ في الاعتبار استبدال الهيدروجين التفاعلي. في المركبات العضوية مع المعادن القلوية الخفيفة مثل الليثيوم (Li) والصوديوم (Na). من بين المركبات التي تم فحصها، تم تحديد 20 زوجًا أظهرت سعات هيدروجينية عالية ( ) والديناميكا الحرارية المناسبة (حرارة إزالة الامتصاص )
لتخزين الهيدروجين. تم اختيار أربعة هيدريدات معدنية عضوية محددة لمزيد من التحقيق والتخليق. أشارت التوقعات النظرية إلى أن أزواج إندوليد الليثيوم وإندوليد أوكتاهيدرو الليثيوم كانت لديها سعة هيدروجين نظرية قدرها وحرارة مثالية لامتصاص الهيدروجين ( ) من أكدت التحقق التجريبي التوقعات النظرية، مما أظهر امتصاص وإطلاق الهيدروجين القابل للعكس جزئيًا عند درجة حرارة منخفضة من شملت الدراسة الحاسوبية حساب تغيير إنثالبي الهدرجة ) للهيدريدات المعدنية العضوية. وُجد أن استبدال المعادن يقلل بشكل فعال من المركبات العضوية، مما يدل على تحسين خصائص تخزين الهيدروجين عند التمعدن. ساهمت استقرار كل من المركبات الفقيرة بالهيدروجين والغنية بالهيدروجين من خلال التمعدن في تقليل بشكل عام، تُظهر الأبحاث إمكانيات الهيدريدات المعدنية العضوية في مواجهة تحديات تخزين الهيدروجين. أثبتت مجموعة التنبؤات النظرية والتحقق التجريبي فعاليتها في تحديد المواد الواعدة وتوجيه تخليقها. قدمت الدراسة الحاسوبية رؤى قيمة حول الخصائص الديناميكية الحرارية للهيدريدات المعدنية العضوية، مما سهل التصميم العقلاني للمواد المستخدمة في تخزين الهيدروجين.

في عصر الرقمية اليوم، شهد النهج القائم على البيانات تقدمًا ونموًا كبيرين، لا سيما في مجال تعلم الآلة (ML). وقد تم تبني تعلم الآلة على نطاق واسع من قبل الباحثين، حيث حظي باهتمام كبير في مجالات البحث العلمي والقطاعات التجارية، ووجد تطبيقات في مجالات متنوعة مثل معالجة اللغة الطبيعية [249، 250]، ورؤية الكمبيوتر [251، 252]، والطب الحيوي [253، 254]، والروبوتات [255، 256]، وتصنيف البيانات، والتعدين [257]. استخدم الباحثون نماذج تعلم الآلة بشكل مكثف لتحليل خصائص المواد المحددة في قواعد البيانات. هذه النماذج، التي تكون فعالة بشكل خاص للأنظمة عالية الأبعاد والمعقدة، تتنبأ بدقة بأداء المواد، وتكشف عن الاتجاهات الخفية للمواد، وتساعد بسرعة في تصميم مواد جديدة. وبالتالي، يقلل هذا النهج من الوقت والتكاليف بينما يقدم توجيهًا دقيقًا للباحثين.

لقد امتد تطبيق تقنيات التعلم الآلي إلى دراسة مواد متنوعة، تشمل المواد الكربونية [258]، وهياكل الإطار المعدني العضوي [259]، ومواد بطاريات الليثيوم أيون [260]، والمواد الحفازة [261]. لا يقوم التعلم الآلي فقط بتحسين أداء المواد، بل يحدد أيضًا العلاقات بين تركيبة المادة وبنيتها وأدائها. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يحسن الطرق الحسابية النظرية، ويقوم بتحسين المعلمات، وأتمتة إعداد المعلمات للأنظمة المختلفة، مما يحل محل المعلمات شبه التجريبية التقليدية.

تقنيات التعلم الآلي تنقسم بشكل عام إلى أربع فئات: التعلم تحت الإشراف، التعلم غير المراقب، التعلم شبه المراقب، والتعلم المعزز. يتضمن التعلم تحت الإشراف تدريب الخوارزميات باستخدام مجموعات بيانات موسومة. يسمح ذلك لأجهزة الكمبيوتر بتصنيف أو تقدير بيانات غير معروفة بناءً على الخريطة المتعلمة من المدخلات إلى المخرجات. تشمل نماذج التعلم تحت الإشراف الشائعة الشبكات العصبية (NN) وأشجار القرار (DT) وآلات الدعم الناقل (SVM) وأقرب الجيران (KNN) ونماذج بايزي البسيطة. في المقابل، يفتقر التعلم غير المراقب إلى البيانات المعلّمة، مما يتطلب التصنيف بناءً على التشابهات بين عينات المدخلات. تُستخدم التجميع وقواعد الارتباط عادةً لهذا الغرض، بهدف تقليل الفجوات داخل الفئة وزيادة الفجوات بين الفئات. تحليل المكونات الرئيسية (PCA) والخوارزميات ذات التشفير الذاتي والتعلم العميق هي من بين الأساليب الشائعة في التعلم غير المراقب. يجمع التعلم شبه المراقب بين جوانب كل من التعلم تحت الإشراف والتعلم غير المراقب، مستخدمًا مجموعة بيانات تحتوي على بيانات معلّمة وغير معلّمة للتعرف على الأنماط. التعلم الانتقالي والتعلم الاستقرائي هما طريقتان بارزتان ضمن التعلم شبه المراقب، تختلفان في تعاملهما مع البيانات غير المعلّمة أثناء الاختبار. أخيرًا، ينطوي التعلم المعزز على تعلم أجهزة الكمبيوتر من خلال التجربة والخطأ لتعظيم المكافآت والأداء ضمن بيئة معينة، مسترشدًا بإشارات المكافأة والعقاب التي تم الحصول عليها من التفاعل مع البيئة. يمثل التعلم التفاضلي الزمني والتعلم Q طريقتين شائعتين ضمن مجال التعلم المعزز.

تقوم طرق المبادئ الأساسية بحساب الخصائص الفيزيائية الهامة بدقة
الكميات المتعلقة بمواد تخزين الهيدروجين، مثل الطاقة الحرة لتفاعلات تخزين/إطلاق الهيدروجين وعمليات تحلل المواد. ومع ذلك، فإن تحديد المسارات التفاعلية الأكثر ملاءمة، ومواقع الامتزاز، والهياكل الكيميائية يتطلب التخمين من بين عمليات وتهيئات مرشحة متنوعة، تعتمد بشكل أساسي على الحدس الكيميائي. قد تكون هذه الطريقة غير مكتملة أو عرضة للأخطاء، خاصة عند معالجة المشكلات المعقدة. لمواجهة هذه التحديات “المفتوحة”، الطموح هو وجود أطر نظرية قادرة على التنبؤ تلقائيًا بالمسارات التفاعلية المثلى حراريًا، والحالات، والتهيئات استنادًا فقط إلى التركيب الكيميائي للنظام أو معلومات مشابهة. تقدم تقنيات التعلم الآلي حلاً، مع التركيز على القدرة الحاسوبية والموضوعية بدلاً من الحدس الكيميائي.

في مجال مواد تخزين الهيدروجين، تستخدم تقنيات التعلم الآلي خوارزميات ونماذج إحصائية لتعزيز الأداء الحاسوبي لمهام محددة. تشمل هذه المهام التنبؤ بأدنى تكوينات الطاقة ومسارات تفاعل التحلل. ومع ذلك، تتطلب نماذج التعلم الآلي تدريبًا على مجموعات بيانات شاملة، غالبًا ما يتم توليدها من خلال طرق المبادئ الأولى، وهي عملية قد تكون صعبة الإنجاز. الدراسات النظرية في مواد تخزين الهيدروجين التي تستخدم تقنيات التعلم الآلي في تزايد، ومن المتوقع أن تزداد شيوعًا بشكل مستمر. تقدم هذه الدراسات تنوعًا واسعًا، مما يمكّن من فحص العديد من الأنظمة والعمليات. تشمل الأمثلة تحليل النشاط الحفزي لتفاعل تطور الهيدروجين على النانوكلوستر، وتوليد آلاف من تركيبات السبائك الجديدة ذاتenthalpies التكوين المواتية لمواد ضواغط الهيدروجين عالية الضغط، وتحديد حدود الأداء لتخزين الهيدروجين الفيزيائي في مجموعة واسعة من المواد النانوية المسامية.

في هذا السياق، كان الهدف من مقال نُشر مؤخرًا من قبل Nations وآخرين [265] استكشاف استخدام تقنيات التعلم الآلي للتنبؤ بطاقة التكوين وسعة تخزين الهيدروجين للهيدريدات المعدنية. استخدمت الدراسة نماذج مختلفة من التعلم الآلي، بما في ذلك الانحدار المتدرج، وأشجار القرار، وفرق الغابات العشوائية، وفرق التعزيز التدريجي. جمع الباحثون البيانات من قواعد بيانات عامة، مثل مشروع المواد وHydPark، التي قدمت معلومات عن الهيدريدات المعدنية. قاموا بإجراء هندسة الميزات لاستخراج المعلمات ذات الصلة، بما في ذلك الكهربية السالبة، والكثافة، والكثافة الذرية، وشخصية d، وشخصية f، وفجوة الطاقة، ونسبة وزن الهيدروجين، والمغناطيسية، ودرجة الحرارة، والضغط. تم تقييم النماذج، وأنتجت مجموعة الغابات العشوائية أقل خطأ في مجموعة الاختبار، مما يدل على أدائها المتفوق. ثم تم استخدام هذه الطريقة الجماعية لملء الإدخالات المفقودة لطاقة التكوين في مجموعة البيانات. تم تقييم المواد بشكل إضافي بناءً على سعة تخزين الهيدروجين وملاءمة طاقة التكوين. وجدت الدراسة أن الميزات المتاحة بسهولة، بما في ذلك تلك المستمدة فقط من الصيغة الكيميائية، كانت ذات قدرة تنبؤية عالية وواعدة للفحص عالي الإنتاجية لصيغ الهيدريد الجديدة. قدمت تقنيات التعلم الآلي المستخدمة في هذا البحث وسيلة لبناء علاقات بين الخصائص التي قد لا تكون واضحة من خلال نظرية المادة المكثفة التقليدية.

قام كيم وآخرون [266] بإجراء دراسة للتنبؤ بمنحنيات الضغط-التركيب-درجة الحرارة (PCT) لـ سبائك تخزين الهيدروجين من النوع – من خلال تطبيق تقنيات التعلم الآلي. شمل البحث استخدام ثلاثة نماذج مختلفة من التعلم الآلي: الغابة العشوائية، أقرب الجيران، والشبكة العصبية العميقة (DNN) لأغراض التنبؤ. لتعزيز مجموعة البيانات، تم استخدام طريقتين مختلفتين لتوليد البيانات، إلى جانب اقتراح شكل مبتكر من دوال منحنى PCT بهدف تحسين دقة التنبؤات. أظهرت النتائج أن نموذج DNN تفوق على النموذجين الآخرين، حيث أظهر قيمة ارتباط متوسطة عالية. )، مما يشير إلى وجود علاقة خطية قوية بين القيم المتوقعة والمقاسة. تم تقييم دقة التنبؤ باستخدام متوسط الخطأ المطلق (MAE) وجذر متوسط مربع الخطأ (RMSE)، والتي لم يتم تحديدها في المحتوى المقدم. ومع ذلك، ذكر المقال أن هذه المقاييس التقييمية تم استخدامها. ركزت الدراسة على التنبؤ بسلوك امتصاص الهيدروجين لـ سبائك عند ثابت
درجة الحرارة (303 كلفن) باستخدام نماذج التعلم الآلي. تضمنت الميزات المدخلة للنماذج درجة الحرارة، والضغط، وتسع تركيبات سبائك. تم تقييم دقة التنبؤ من خلال مقارنة القيم المتوقعة بالقيم المقاسة، وأشارت قيم الارتباط الأعلى إلى أداء تنبؤ أفضل. بشكل عام، أظهرت الأبحاث فعالية التعلم الآلي في التنبؤ بمنحنيات PCT لسبائك تخزين الهيدروجين. من خلال استخدام نماذج التعلم الآلي، قدمت الدراسة رؤى حول سلوك سبائك من نوع -، والتي يمكن أن تساعد في اختيار وتصميم مواد تخزين الهيدروجين لمختلف التطبيقات.

بالنسبة للمواد القائمة على الكربون، ركز ثان وآخرون [267] على التنبؤ بتخزين الهيدروجين باستخدام نماذج التعلم الآلي، وبشكل خاص نموذج الغابة العشوائية، بالاشتراك مع خوارزميات مستوحاة من الطبيعة. كانت الدراسة تهدف إلى تطوير نموذج تنبؤي لتخزين الهيدروجين على المواد الممتصة الكربونية المسامية. تم استخدام متغيرات إدخال متنوعة، بما في ذلك المواد الممتصة القائمة على الكربون، وعوامل التنشيط الكيميائية، والنسب، والميزات الميكرو هيكلية، والمعلمات التشغيلية، في نموذج التعلم الآلي. أظهرت النتائج أن نموذج الغابة العشوائية المدمج مع تحسينات سرب الجسيمات والذئب الرمادي (PSO و GWO) حقق دقة عالية في كل من مراحل التدريب والاختبار، مع قيم تقارب 0.98 و 0.91 على التوالي. أظهرت تحليل الحساسية أن درجة الحرارة، والحجم الكلي للمسام، والمساحة السطحية المحددة، وحجم المسام الدقيقة كانت العوامل الأكثر أهمية لامتصاص الهيدروجين. كانت درجات الأهمية لهذه العوامل 1 و 0.48 على التوالي. تم تقييم جدوى الخوارزميات باستخدام أحجام تدريب مختلفة، تتراوح من إلى تراوحت قيم RMSE و MAE بين 0.6 و 1 و 0.38 و 0.52 على التوالي. تشير هذه المقاييس إلى دقة النموذج التنبؤي. بشكل عام، تسهم الدراسة في تطوير مصادر الطاقة المستدامة من خلال تقديم رؤى حول تصميم المواد الماصة الكربونية المسامية لتخزين الهيدروجين. إن استخدام الخوارزميات المستوحاة من الطبيعة في عملية تطوير نموذج التعلم الآلي هو نهج مبتكر يمكن تطبيقه في مجالات أخرى من علوم المواد والهندسة. تُظهر الأبحاث إمكانيات تقنيات التعلم الآلي في التنبؤ بأداء المواد الكربونية المسامية وتحسين قدراتها على امتصاص الهيدروجين.

ركز شيخار وتشودري [268] على التنبؤ بتخزين الهيدروجين في MOFs باستخدام تقنيات التعلم الآلي. كان هدف المؤلفين هو التغلب على قيود البحث الحسابي عالي الإنتاجية من خلال استخدام التعلم الآلي كبديل للطرق التقليدية مثل التجارب والمحاكاة. استخدمت الدراسة شبكة عصبية أمامية (FNN) بالإضافة إلى نموذج الشجرة العشوائية للغاية (ERT) للتنبؤ بسعة توصيل الهيدروجين لعدد كبير من MOFs. أظهر نموذج FNN أداءً متفوقًا في التنبؤ بالسعة الوزنية، بينما كان نموذج ERT أكثر فعالية في التنبؤ بالسعة الحجمية. تتكون مجموعة البيانات المستخدمة للتدريب والتقييم من 918,734 MOFs من قواعد بيانات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، قام المؤلفون بإجراء محاكاة GCMC للتحقق من التنبؤات التي قدمتها نماذج التعلم الآلي الخاصة بهم. أشارت نتائج البحث إلى أن التعلم الآلي، وخاصة نماذج FNN و ERT، أظهرت قدرات واعدة في تقييم سعات تخزين الهيدروجين في MOFs بدقة. تم تحقيق هذه التنبؤات في وقت حسابي أقصر بكثير مقارنةً بالمحاكاة الجزيئية التقليدية. أبرز المؤلفون إمكانيات التعلم الآلي في تسريع اكتشاف MOFs المثلى، وتقليل متطلبات بيانات الإدخال، وفحص قواعد بيانات MOF الكبيرة بكفاءة للمواد ذات السعة العالية. بشكل عام، أظهر البحث التطبيق الناجح للتعلم الآلي في التنبؤ بسعات تخزين الهيدروجين في MOFs، مما يوفر طريقًا واعدًا للتقدم المستقبلي في تقنيات الوقود النظيف والمستدام.

وبالمثل، ناقش أحمد وآخرون [269] تطوير وتطبيق نماذج التعلم الآلي للتنبؤ بسعات تخزين الهيدروجين في المواد العضوية المعدنية. تهدف الدراسة إلى تسريع اكتشاف مواد امتصاص الهيدروجين ذات السعة العالية من خلال التنبؤ بدقة بامتصاص الهيدروجين عبر مجموعة متنوعة من المواد العضوية المعدنية. قام المؤلفون بتدريب نماذج التعلم الآلي باستخدام مجموعة بيانات تحتوي على 918,734 مادة عضوية معدنية مأخوذة من 19 قاعدة بيانات. باستخدام سبعة ميزات هيكلية فقط كمدخلات، تمكنت النماذج من تحديد 8282 مادة عضوية معدنية لديها القدرة على تجاوز سعات
مواد متطورة. تم تحديد MOFs التي تم التعرف عليها من خلال كثافات منخفضة ( ), ومساحات سطحية عالية ( ), ونسب فراغات كبيرة ( ), وأحجام مسام كبيرة ( ). وقد قامت الدراسة بتحديد الأهمية النسبية للميزات المدخلة وفحصت الاعتماديات على خوارزمية التعلم الآلي وحجم مجموعة التدريب. وُجد أن حجم المسام لعب دورًا حاسمًا في التنبؤ بالسعة الجاذبية، بينما كانت نسبة الفراغات مهمة للسعة الحجمية. النماذج المطورة للتعلم الآلي متاحة على الإنترنت، مما يتيح توقعات سريعة ودقيقة لسعات الهيدروجين لـ MOFs الجديدة بناءً على بيانات هيكلية محدودة. إن استخدام التعلم الآلي في هذا السياق يقدم نهجًا واعدًا للتغلب على التحديات المرتبطة بالعدد الهائل من MOFs وبيانات التجارب المحدودة، مما يسهل اكتشاف مواد تخزين الهيدروجين الفعالة.

دراسة حديثة أخرى أجراها صالحى وآخرون [270] استخدمت أساليب ML متنوعة للتنبؤ بسعات تخزين الهيدروجين في MOFs، بما في ذلك الشبكة العصبية متعددة الطبقات (MLP)، SVM، الغابة العشوائية (RF)، CatBoost، LightGBM، XGBoost، ونظام ذكاء الآلة اللجنات (CMIS). تم تدريب هذه النماذج على بيانات تجريبية تم جمعها من دراسات مختلفة. أظهرت النتائج أن نموذج CMIS تفوق على النماذج الأخرى، محققًا قيمة تبلغ 0.982 وقيمة RMSE تبلغ 0.088 . تم استخدام نهج Leverage لتحديد وإزالة النقاط المشبوهة، مما أدى إلى تحسين القدرة على التنبؤ. تم تحديد فقط من النقاط البيانية على أنها مشبوهة. كشفت تحليل الحساسية أن مساحة السطح، وحجم المسام، والضغط، ودرجة الحرارة كانت لها مساهمات متساوية تقريبًا في تخزين الهيدروجين في MOFs. تشير هذه النتيجة إلى أن هذه المعلمات تلعب أدوارًا حاسمة في تصميم أنظمة التخزين للهيدروجين.

استكشف بورخا وآخرون [271] تطبيق نماذج ML في التنبؤ بسعات تخزين الهيدروجين في MOFs. كانت الدراسة تهدف إلى تحديد هياكل MOF ذات الأداء العالي التي يمكن أن تلبي احتياجات امتصاص الهيدروجين المستهدفة بكفاءة. قام الباحثون بتقييم أداء 13 نموذج ML في التنبؤ بامتصاص الهيدروجين الجاذبي والحجمي لهياكل MOF الحقيقية. من بين النماذج المدروسة، حقق 12 نموذجًا قيمة R2 أكبر من 0.95 لكل من الامتصاص الجاذبي والحجمي في MOFs. يشير هذا إلى وجود ارتباط قوي بين النتائج المتوقعة والمحاكاة/التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، قدمت الدراسة نموذج ANN 4-20-1 الذي يتنبأ بالخصائص الحجمية، والقص، وخصائص يونغ لـ MOFs. يمكن استخدام نماذج ML ذات قيم R2 العالية لاختيار MOFs لتطبيقات تخزين الهيدروجين.

يقدم تطبيق نماذج التعلم الآلي في التنبؤ بسعات تخزين الهيدروجين في MOFs فوائد كبيرة. يسمح للباحثين بتحديد واختيار أكثر MOFs الواعدة للتجارب، مما يقلل من الوقت والتكلفة المرتبطة بإجراء التجارب على عدد هائل من MOFs المحتملة. من خلال التنبؤ بدقة بسعات التخزين، تساعد النماذج في تحسين ظروف التشغيل لعمليات تخزين الهيدروجين التي تستخدم MOFs.

في الختام، تؤكد هذه المراجعة على التقدم المحوري في تقنيات ومواد تخزين الهيدروجين، وهو أمر حاسم لتمكين الاعتماد الواسع للهيدروجين كمصدر طاقة نظيف. مع توقع ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة إلى 9.7 مليار بحلول عام 2050، فإن الحاجة إلى حلول طاقة مستدامة ملحة. على الرغم من زيادة الاستثمارات في مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، فإن أنظمة تخزين الطاقة الفعالة ضرورية للتخفيف من تقلبات توليد الطاقة، خاصة بالنظر إلى التأثيرات البيئية للوقود الأحفوري. يظهر تخزين الهيدروجين كحل واعد بسبب كثافته العالية من الطاقة وإمكانية إزالة الكربون من مزيج الطاقة العالمي. تقدم تقنيات التخزين الفيزيائية، بما في ذلك الهيدروجين المضغوط وتقنيات التسييل، حلولًا مبتكرة لتخزين الهيدروجين في أشكال كثيفة ومستقرة. الهيدروجين المضغوط، المستخدم على نطاق واسع في تطبيقات النقل، وخاصة في سيارات خلايا الوقود، هو راسخ جيدًا. يتيح تخزين الهيدروجين السائل كثافة طاقة أعلى ولكنه يقدم تحديات من حيث السلامة والبنية التحتية بسبب متطلباته المبردة.

تقدم أساليب تخزين الهيدروجين المعتمدة على المواد، التي تستخدم الهيدريدات المعدنية، والهيدريدات المعقدة، والمواد المحتوية على الكربون، بدائل للتخزين الفيزيائي. تستخدم هذه المواد تقنيات الامتصاص أو الامتزاز، مع تحقيق إطلاق الهيدروجين الجزيئي من خلال التحلل الحراري أو التحفيزي. تركز جهود البحث على تصميم محفزات فعالة لتعزيز توليد الهيدروجين. تعتبر الاعتبارات مثل الخصائص الهيكلية، والتمعدن، ومساحة السطح، والسعة، والاستقرار، والسلامة حيوية في تطوير مواد تخزين الهيدروجين الفعالة. ظهرت الكيمياء الحاسوبية، والفحص عالي الإنتاجية، والتعلم الآلي كأدوات قوية في تسريع تصميم المواد، مما يساهم في التقدم في الصناعات المتعلقة بالطاقة. لتحقيق مستقبل طاقة مستدام، من الضروري التغلب على التحديات المرتبطة بتخزين الهيدروجين، مثل كثافة الطاقة الحجمية المنخفضة، ومخاوف السلامة، ومتطلبات البنية التحتية. يعد تطوير مواد تخزين الهيدروجين الفعالة والآمنة أمرًا أساسيًا لتعظيم إمكانات الهيدروجين كحامل طاقة نظيف في النقل، وتوليد الطاقة، والعمليات الصناعية.

قد تركز الأبحاث المستقبلية في مواد وتقنيات تخزين الهيدروجين على تصميم المواد المتقدمة، والتكنولوجيا النانوية، وأنظمة التخزين المتكاملة، وتقنيات التوصيف المتقدمة، وإنتاج الهيدروجين المستدام، واعتبارات السلامة، والنهج الحاسوبية. تهدف هذه الجهود إلى تحسين كفاءة التخزين، والسلامة، والعملية بينما تستكشف طرق الإنتاج المتجددة وتتناول تحديات البنية التحتية. ستساهم المواد المحسنة، والهندسة على النانو، والنهج المعتمدة على البيانات في الاعتماد الواسع للهيدروجين كمصدر طاقة نظيف.

يعلن المؤلفون أنهم ليس لديهم مصالح مالية متنافسة معروفة أو علاقات شخصية قد تكون ظهرت لتؤثر على العمل المبلغ عنه في هذه الورقة.

يتمنى الدكتور أحمد ع. عثمان والدكتور محمود نصر تكريس هذا العمل لروح الأستاذ المصري المتميز الدكتور سميح أ. حلاوي، الذي توفي في 2 سبتمبر 2022. يتمنى المؤلفون الاعتراف بدعم مشروع مركز بريدن (معرف المشروع VA5048). يتم دعم مشروع مركز بريدن من قبل برنامج INTERREG VA التابع للاتحاد الأوروبي، الذي تديره هيئة البرامج الخاصة بالاتحاد الأوروبي (SEUPB). يتم تمويل الباحث (محمد حسني) من خلال منحة دراسية كاملة (MM32/21) من وزارة التعليم العالي والبحث العلمي المصرية ممثلة بالمكتب المصري للشؤون الثقافية والتعليمية في لندن. يود المؤلفون أن يعبروا عن تقديرهم الصادق لمشروع دعم الباحثين رقم (RSP2024R368)، جامعة الملك سعود، الرياض، المملكة العربية السعودية.

[1] Hassan A, Ilyas SZ, Jalil A, Ullah Z. Monetization of the environmental damage caused by fossil fuels. Environ Sci Pollut Res Int 2021;28:21204-11.
[2] Zhang L, Jia C, Bai F, Wang W, An S, Zhao K, et al. A comprehensive review of the promising clean energy carrier: hydrogen production, transportation, storage, and utilization (HPTSU) technologies. Fuel 2024;355:129455.
[3] Hutchins DA, Jansson JK, Remais JV, Rich VI, Singh BK, Trivedi P. Climate change microbiology – problems and perspectives. Nat Rev Microbiol 2019;17: 391-6.
[4] Jones MW, Peters GP, Gasser T, Andrew RM, Schwingshackl C, Gütschow J, et al. National contributions to climate change due to historical emissions of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide since 1850. Sci Data 2023;10:155.
[5] Kabir M, Habiba UE, Khan W, Shah A, Rahim S, Rios-Escalante PRD, et al. Climate change due to increasing concentration of carbon dioxide and its impacts on environment in 21st century; a mini review. J King Saud Univ Sci 2023;35: 102693.
[6] Halawy SA, Osman AI, Nasr M, Rooney DW. Mg-O-F nanocomposite catalysts defend against global warming via the efficient, dynamic, and rapid capture of CO(2) at different temperatures under ambient pressure. ACS Omega 2022;7: 38856-68.
[7] Asghar U, Rafiq S, Anwar A, Iqbal T, Ahmed A, Jamil F, et al. Review on the progress in emission control technologies for the abatement of and NO from fuel combustion. J Environ Chem Eng 2021;9:106064.
[8] Obaideen K, Olabi AG, Al Swailmeen Y, Shehata N, Abdelkareem MA, Alami AH, et al. Solar energy: applications, trends analysis, bibliometric analysis and research contribution to sustainable development goals (SDGs). Sustainability 2023;15:1418.
[9] Zhang Z, Liu X, Zhao D, Post S, Chen J. Overview of the development and application of wind energy in New Zealand. Energy and Built Environment 2023; 4:725-42.
[10] Xiaosan Z, Qingquan J, Shoukat Iqbal K, Manzoor A, Zia Ur R. Achieving sustainability and energy efficiency goals: assessing the impact of hydroelectric and renewable electricity generation on carbon dioxide emission in China. Energy Pol 2021;155:112332.
[11] Nasr M, Abdelkader A, El-Nahas S, Osman AI, Abdelhaleem A, El Nazer HA, et al. Utilizing undissolved portion (UNP) of cement kiln dust as a versatile multicomponent catalyst for bioethylene production from bioethanol: an innovative approach to address the energy crisis. ACS Omega 2023.
[12] Pandit K, Jeffrey C, Keogh J, Tiwari MS, Artioli N, Manyar HG. Techno-economic assessment and sensitivity analysis of glycerol valorization to biofuel additives via esterification. Ind Eng Chem Res 2023;62:9201-10.
[13] Osman AI, Mehta N, Elgarahy AM, Hefny M, Al-Hinai A, Al-Muhtaseb AH, et al. Hydrogen production, storage, utilisation and environmental impacts: a review (vol 20, pg 153, 2022). Environ Chem Lett 2022;20:2213.
[14] Hassan Q, Sameen AZ, Salman HM, Jaszczur M, Al-Jiboory AK. Hydrogen energy future: advancements in storage technologies and implications for sustainability. J Energy Storage 2023;72:108404.
[15] Jahanbakhsh A, Louis Potapov-Crighton A, Mosallanezhad A, Tohidi Kaloorazi N, Maroto-Valer MM. Underground hydrogen storage: a UK perspective. Renew Sustain Energy Rev 2024;189:114001.
[16] Mondal K, Malode SJ, Shetti NP, Alqarni SA, Pandiaraj S, Alodhayb A. Porous nanostructures for hydrogen generation and storage. J Energy Storage 2024;76: 109719.
[17] Hassan IA, Ramadan HS, Saleh MA, Hissel D. Hydrogen storage technologies for stationary and mobile applications: review, analysis and perspectives. Renew Sustain Energy Rev 2021;149:111311.
[18] Navlani-García M, Mori K, Kuwahara Y, Yamashita H. Recent strategies targeting efficient hydrogen production from chemical hydrogen storage materials over carbon-supported catalysts. NPG Asia Mater 2018;10:277-92.
[19] Eberle U, Felderhoff M, Schuth F. Chemical and physical solutions for hydrogen storage. Angew Chem Int Ed Engl 2009;48:6608-30.
[20] Dalebrook AF, Gan W, Grasemann M, Moret S, Laurenczy G. Hydrogen storage: beyond conventional methods. Chem Commun 2013;49:8735-51.
[21] Lu Z. Computational discovery of energy materials in the era of big data and machine learning: a critical review. Materials Reports: Energy 2021;1:100047.
[22] Tashie-Lewis BC, Nnabuife SG. Hydrogen production, distribution, storage and power conversion in a hydrogen economy – a technology review. Chemical Engineering Journal Advances 2021;8:100172.
[23] Zhang L, Jia CQ, Bai FQ, Wang WS, An SY, Zhao KY, et al. A comprehensive review of the promising clean energy carrier: hydrogen production, transportation, storage, and utilization (HPTSU) technologies. Fuel 2024;355: 129455.
[24] Du ZM, Liu CM, Zhai JX, Guo XY, Xiong YL, Su W, et al. A review of hydrogen purification technologies for fuel cell vehicles. Catalysts 2021;11:393.
[25] Qazi UY. Future of hydrogen as an alternative fuel for next-generation industrial applications; challenges and expected opportunities. Energies 2022;15:4741.
[26] Usman MR. Hydrogen storage methods: review and current status. Renew Sustain Energy Rev 2022;167:112743.
[27] Demirocak DE. Hydrogen storage technologies. Nanostructured Materials for Next-Generation Energy Storage and Conversion: Hydrogen Production, Storage, and Utilization 2017:117-42.
[28] Greene DL, Ogden JM, Lin ZH. Challenges in the designing, planning and deployment of hydrogen refueling infrastructure for fuel cell electric vehicles. Etransportation 2020;6:100086.
[29] Barthélémy H, Weber M, Barbier F. Hydrogen storage: recent improvements and industrial perspectives. Int J Hydrogen Energy 2017;42:7254-62.
[30] Moradi R, Groth KM. Hydrogen storage and delivery: review of the state of the art technologies and risk and reliability analysis. Int J Hydrogen Energy 2019;44: 12254-69.
[31] Durbin D, Malardier-Jugroot C. Review of hydrogen storage techniques for on board vehicle applications. Int J Hydrogen Energy 2013;38:14595-617.
[32] AlZohbi G, Almoaikel A, AlShuhail L. An overview on the technologies used to store hydrogen. Energy Rep 2023;9:28-34.
[33] Abe JO, Popoola A, Ajenifuja E, Popoola OM. Hydrogen energy, economy and storage: review and recommendation. Int J Hydrogen Energy 2019;44:15072-86.
[34] Ball M, Wietschel M. The future of hydrogen-opportunities and challenges. Int J Hydrogen Energy 2009;34:615-27.
[35] Ahluwalia RK, Hua T, Peng J. On-board and Off-board performance of hydrogen storage options for light-duty vehicles. Int J Hydrogen Energy 2012;37:2891-910.
[36] Schlapbach L, Züttel A. Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature 2001;414:353-8.
[37] Bossel U. Does a hydrogen economy make sense? Proc IEEE 2006;94:1826-37.
[38] Wang M, Wang G, Sun Z, Zhang Y, Xu D. Review of renewable energy-based hydrogen production processes for sustainable energy innovation. Global Energy Interconnection 2019;2:436-43.
[39] Yanxing Z, Maoqiong G, Yuan Z, Xueqiang D, Jun S. Thermodynamics analysis of hydrogen storage based on compressed gaseous hydrogen, liquid hydrogen and cryo-compressed hydrogen. Int J Hydrogen Energy 2019;44:16833-40.
[40] Sui Y, Yuan Z, Zhou D, Zhai T, Li X, Feng D, et al. Recent progress of nanotechnology in enhancing hydrogen storage performance of magnesiumbased materials: a review. Int J Hydrogen Energy 2022;47:30546-66.
[41] Bellosta von Colbe J, Ares J-R, Barale J, Baricco M, Buckley C, Capurso G, et al. Application of hydrides in hydrogen storage and compression: achievements, outlook and perspectives. Int J Hydrogen Energy 2019;44:7780-808.
[42] Sun Y, Shen C, Lai Q, Liu W, Wang D-W, Aguey-Zinsou K-F. Tailoring magnesium based materials for hydrogen storage through synthesis: current state of the art. Energy Storage Mater 2018;10:168-98.
[43] Ley MB, Jepsen LH, Lee Y-S, Cho YW, Von Colbe JMB, Dornheim M, et al. Complex hydrides for hydrogen storage-new perspectives. Mater Today 2014;17: 122-8.
[44] Demirci UB. Ammonia borane, a material with exceptional properties for chemical hydrogen storage. Int J Hydrogen Energy 2017;42:9978-10013.
[45] Xu J, Liu J, Li Z, Wang X, Xu Y, Chen S, et al. Optimized synthesis of Zr (iv) metal organic frameworks (MOFs-808) for efficient hydrogen storage. New J Chem 2019;43:4092-9.
[46] Bian L-Y, Li X-D, Huang X-Y, Yang P-h, Wang Y-D, Liu X-Y, et al. Molecular simulation on hydrogen storage properties of five novel covalent organic frameworks with the higher valency. Int J Hydrogen Energy 2022;47:29390-8.
[47] Gupta A, Baron GV, Perreault P, Lenaerts S, Ciocarlan R-G, Cool P, et al. Hydrogen clathrates: next generation hydrogen storage materials. Energy Storage Mater 2021;41:69-107.
[48] Ariharan A, Ramesh K, Vinayagamoorthi R, Rani MS, Viswanathan B, Ramaprabhu S, et al. Biomass derived phosphorous containing porous carbon material for hydrogen storage and high-performance supercapacitor applications. J Energy Storage 2021;35:102185.
[49] Von Colbe JB, Ares J-R, Barale J, Baricco M, Buckley C, Capurso G, et al. Application of hydrides in hydrogen storage and compression: achievements, outlook and perspectives. Int J Hydrogen Energy 2019;44:7780-808.
[50] Lai Q, Pratthana C, Yang Y, Rawal A, Aguey-Zinsou K-F. Nanoconfinement of complex borohydrides for hydrogen storage. ACS Appl Nano Mater 2021;4: 973-8.
[51] Rusman NAA, Dahari M. A review on the current progress of metal hydrides material for solid-state hydrogen storage applications. Int J Hydrogen Energy 2016;41:12108-26.
[52] Preuster P, Papp C, Wasserscheid P. Liquid organic hydrogen carriers (LOHCs): toward a hydrogen-free hydrogen economy. Acc Chem Res 2017;50:74-85.
[53] Sathe RY, Kumar TJD, Ahuja R. Furtherance of the material-based hydrogen storage based on theory and experiments. Int J Hydrogen Energy 2023;48: 12767-95.
[54] Qureshi F, Yusuf M, Khan MA, Ibrahim H, Ekeoma BC, Kamyab H, et al. A State-of-The-Art Review on the Latest trends in Hydrogen production, storage, and transportation techniques. Fuel 2023;340:127574.
[55] Kukkapalli VK, Kim S, Thomas SA. Thermal management techniques in metal hydrides for hydrogen storage applications: a review. Energies 2023;16:3444.
[56] Lototskyy MV, Tolj I, Pickering L, Sita C, Barbir F, Yartys V. The use of metal hydrides in fuel cell applications. Prog Nat Sci: Mater Int 2017;27:3-20.
[57] Manoharan K, Sundaram R, Raman K. Expeditious re-hydrogenation kinetics of ball-milled magnesium hydride ( ) decorated acid-treated halloysite nanotube (A-HNT)/polyaniline (PANI) nanocomposite (B-MgH2/A-HNT/PANI) for fuel cell applications. Ionics 2023:1-17.
[58] Bogdanović B, Ritter A, Spliethoff B. Active MgH 2 Mg systems for reversible chemical energy storage. Angew Chem Int Ed Engl 2003;29:223-34.
[59] Wang L, Zhang L, Lu X, Wu F, Sun X, Zhao H, et al. Surprising cocktail effect in high entropy alloys on catalyzing magnesium hydride for solid-state hydrogen storage. Chem Eng J 2023;465:142766.
[60] Schneemann A, White JL, Kang S, Jeong S, Wan LF, Cho ES, et al. Nanostructured metal hydrides for hydrogen storage. Chem Rev 2018;118:10775-839.
[61] Yang H, Ding Z, Li Y-T, Li S-Y, Wu P-K, Hou Q-H, et al. Recent advances in kinetic and thermodynamic regulation of magnesium hydride for hydrogen storage. Rare Met 2023:1-22.
[62] El-Eskandarany MS, AlMatrouk H, Shaban E, Al-Duweesh A. Effect of the nanocatalysts on the thermal stability and hydrogenation/dehydrogenation kinetics of MgH 2 nanocrystalline powders. Mater Today Proc 2016;3:2608-16.
[63] Zhou C, Peng Y, Zhang Q. Growth kinetics of MgH2 nanocrystallites prepared by ball milling. J Mater Sci Technol 2020;50:178-83.
[64] Shinde S, Kim D-H, Yu J-Y, Lee J-H. Self-assembled air-stable magnesium hydride embedded in 3-D activated carbon for reversible hydrogen storage. Nanoscale 2017;9:7094-103.
[65] Meng Y, Ju S, Chen W, Chen X, Xia G, Sun D, et al. Design of bifunctional Nb/V interfaces for improving reversible hydrogen storage performance of MgH 2 . Small Structures 2022;3:2200119.
[66] Bramwell PL, Ngene P, de Jongh PE. Carbon supported lithium hydride nanoparticles: impact of preparation conditions on particle size and hydrogen sorption. Int J Hydrogen Energy 2017;42:5188-98.
[67] Milanese C, Jensen TR, Hauback BC, Pistidda C, Dornheim M, Yang H, et al. Complex hydrides for energy storage. Int J Hydrogen Energy 2019;44:7860-74.
[68] Bahou S, Labrim H, Lakhal M, Ez-Zahraouy H. Improving the hydrogen storage properties of lithium hydride ( LiH ) by lithium vacancy defects: ab initio calculations. Solid State Commun 2023;371:115167.
[69] Vajo JJ, Mertens F, Ahn CC, Bowman RC, Fultz B. Altering hydrogen storage properties by hydride destabilization through alloy formation:: LiH and MgH destabilized with Si. J Phys Chem B 2004;108:13977-83.
[70] Abbas MA, Grant DM, Brunelli M, Hansen TC, Walker GS. Reducing the dehydrogenation temperature of lithium hydride through alloying with germanium. Phys Chem Chem Phys 2013;15:12139-46.
[71] Jain A, Kawasako E, Miyaoka H, Ma T, Isobe S, Ichikawa T, et al. Destabilization of LiH by Li insertion into Ge . J Phys Chem C 2013;117:5650-7.
[72] Wang L, Quadir MZ, Aguey-Zinsou KF. Ni coated LiH nanoparticles for reversible hydrogen storage. Int J Hydrogen Energy 2016;41:6376-86.
[73] Pluengphon P, Tsuppayakorn-aek P, Inceesungvorn B, Ahuja R, Bovornratanaraks T. Formation of lightweight ternary polyhydrides and their hydrogen storage mechanism. J Phys Chem C 2021;125:1723-30.
[74] Miyaoka H, Ishida W, Ichikawa T, Kojima Y. Synthesis and characterization of lithium-carbon compounds for hydrogen storage. J Alloys Compd 2011;509: 719-23.
[75] Schneemann A, White JL, Kang S, Jeong S, Wan LF, Cho ES, et al. Nanostructured metal hydrides for hydrogen storage. Chem Rev 2018;118:10775-839.
[76] Beatrice CAG, Moreira BR, de Oliveira AD, Passador FR, Neto GRD, Leiva DR, et al. Development of polymer nanocomposites with sodium alanate for hydrogen storage. Int J Hydrogen Energy 2020;45:5337-46.
[77] Ren Z, Zhang X, Li H-W, Huang Z, Hu J, Gao M, et al. Titanium hydride nanoplates enable of reversible hydrogen storage by sodium alanate below C. Research. 2021.
[78] Li YT, Fang F, Fu HL, Qiu JM, Song Y, Li YS, et al. Carbon nanomaterial-assisted morphological tuning for thermodynamic and kinetic destabilization in sodium alanates. J Mater Chem A 2013;1:5238-46.
[79] Hudson MSL, Raghubanshi H, Pukazhselvan D, Srivastava ON. Carbon nanostructures as catalyst for improving the hydrogen storage behavior of sodium aluminum hydride. Int J Hydrogen Energy 2012;37:2750-5.
[80] Li H, Yao Z, Wang X, Zhu Y, Chen Y. Review on hydrogen production from catalytic ammonia borane methanolysis: advances and perspectives. Energy Fuels 2022;36:11745-59.
[81] Tang Z, Li S, Yang Z, Yu X. Ammonia borane nanofibers supported by poly (vinyl pyrrolidone) for dehydrogenation. J Mater Chem 2011;21:14616-21.
[82] Wu H, Cheng Y, Fan Y, Lu X, Li L, Liu B, et al. Metal-catalyzed hydrolysis of ammonia borane: mechanism, catalysts, and challenges. Int J Hydrogen Energy 2020;45:30325-40.
[83] Akbayrak S, Ozkar S. Ammonia borane as hydrogen storage materials. Int J Hydrogen Energy 2018;43:18592-606.
[84] Sakintuna B, Lamari-Darkrim F, Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: a review. Int J Hydrogen Energy 2007;32:1121-40.
[85] Che H, Wu Y, Wang X, Liu H, Yan M. Improved hydrogen storage properties of Li-Mg-N-H system by lithium vanadium oxides. J Alloys Compd 2023;931:167603.
[86] Costanzo F, Silvestrelli PL, Ancilotto F. Physisorption, diffusion, and chemisorption pathways of H2 molecule on graphene and on carbon nanotube by first principles calculations. J Chem Theor Comput 2012;8:1288-94.
[87] Nazir H, Muthuswamy N, Louis C, Jose S, Prakash J, Buan ME, et al. Is the H2 economy realizable in the foreseeable future? Part II: H2 storage, transportation, and distribution. Int J Hydrogen Energy 2020;45:20693-708.
[88] Samantaray SS, Putnam ST, Stadie NP. Volumetrics of hydrogen storage by physical adsorption. Inorganics 2021;9:45.
[89] Shindo K, Kondo T, Arakawa M, Sakurai Y. Hydrogen adsorption/desorption properties of mechanically milled activated carbon. J Alloys Compd 2003;359: 267-71.
[90] Rowlandson JL, Edler KJ, Tian M, Ting VP. Toward process-resilient ligninderived activated carbons for hydrogen storage applications. ACS Sustainable Chem Eng 2020;8:2186-95.
[91] Wróbel-Iwaniec I, Díez N, Gryglewicz G. Chitosan-based highly activated carbons for hydrogen storage. Int J Hydrogen Energy 2015;40:5788-96.
[92] Akasaka H, Takahata T, Toda I, Ono H, Ohshio S, Himeno S, et al. Hydrogen storage ability of porous carbon material fabricated from coffee bean wastes. Int J Hydrogen Energy 2011;36:580-5.
[93] Dillon AC, Jones K, Bekkedahl T, Kiang C, Bethune D, Heben M. Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes. Nature 1997;386:377-9.
[94] Su Rather. Preparation, characterization and hydrogen storage studies of carbon nanotubes and their composites: a review. Int J Hydrogen Energy 2020;45: 4653-72.
[95] Akbarzadeh R, Ghaedi M, Kokhdan SN, Vashaee D. Remarkably improved electrochemical hydrogen storage by multi-walled carbon nanotubes decorated with nanoporous bimetallic nanoparticles. Dalton Trans 2019;48: 898-907.
[96] Kadri A, Jia Y, Chen Z, Yao X. Catalytically enhanced hydrogen sorption in MgMgH 2 by coupling vanadium-based catalyst and carbon nanotubes. Materials 2015;8:3491-507.
[97] Liang H, Du X, Li J, Sun L, Song M, Li W. Manipulating active sites on carbon nanotube materials for highly efficient hydrogen storage. Appl Surf Sci 2023;619: 156740.
[98] Zhao D, Wang X, Yue L, He Y, Chen B. Porous metal-organic frameworks for hydrogen storage. Chem Commun 2022;58:11059-78.
[99] Zhou H, Zhang J, Zhang J, Yan XF, Shen XP, Yuan AH. Spillover enhanced hydrogen storage in Pt-doped MOF/graphene oxide composite produced via an impregnation method. Inorg Chem Commun 2015;54:54-6.
[100] Guo JH, Li SJ, Su Y, Chen G. Theoretical study of hydrogen storage by spillover on porous carbon materials. Int J Hydrogen Energy 2020;45:25900-11.
[101] Bambalaza SE, Langmi HW, Mokaya R, Musyoka NM, Khotseng LE. Experimental demonstration of dynamic temperature-dependent behavior of UiO-66 metal-organic framework: compaction of hydroxylated and dehydroxylated forms of UiO-66 for high-pressure hydrogen storage. ACS Appl Mater Interfaces 2020;12:24883-94.
[102] Kaye SS, Dailly A, Yaghi OM, Long JR. Impact of preparation and handling on the hydrogen storage properties of Zn40 (1, 4-benzenedicarboxylate) 3 (MOF-5). J Am Chem Soc 2007;129:14176-7.
[103] Zunkovič E, Mazaj M, Mali G, Rangus M, Devic T, Serre C, et al. Structural study of Ni-or Mg-based complexes incorporated within UiO-66-NH2 framework and their impact on hydrogen sorption properties. J Solid State Chem 2015;225: 209-15.
[104] Orcajo G, Montes-Andrés H, Villajos JA, Martos C, Botas JA, Calleja G. Li-Crown ether complex inclusion in MOF materials for enhanced H2 volumetric storage capacity at room temperature. Int J Hydrogen Energy 2019;44:19285-93.
[105] Chafiq M, Chaouiki A, Ko YG. Advances in COFs for energy storage devices: harnessing the potential of covalent organic framework materials. Energy Storage Mater 2023;63:103014.
[106] Cote AP, Benin AI, Ockwig NW, O’Keeffe M, Matzger AJ, Yaghi OM. Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science 2005;310:1166-70.
[107] El-Kaderi HM, Hunt JR, Mendoza-Cortes JL, Cote AP, Taylor RE, O’Keeffe M, et al. Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks. Science 2007;316: 268-72.
[108] Han SS, Furukawa H, Yaghi OM, Goddard WA. Covalent organic frameworks as exceptional hydrogen storage materials. J Am Chem Soc 2008;130:11580-+.
[109] Furukawa H, Yaghi OM. Storage of hydrogen, methane, and carbon dioxide in highly porous covalent organic frameworks for clean energy applications. J Am Chem Soc 2009;131:8875-83.
[110] Ghosh S, Singh JK. Hydrogen adsorption in pyridine bridged porphyrin-covalent organic framework. Int J Hydrogen Energy 2019;44:1782-96.
[111] Zhao H, Guan YR, Guo HL, Du RJ, Yan CX. Hydrogen storage capacity on Lidecorated covalent organic framework-1: a first-principles study. Mater Res Express 2020;7:035506.
[112] Shangguan W, Zhao H, Dai JQ, Cai J, Yan C. First-principles study of hydrogen storage of Sc-modified semiconductor covalent organic framework-1. ACS Omega 2021;6:21985-93.
[113] Choi YJ, Lee JW, Choi JH, Kang JK. Ideal metal-decorated three dimensional covalent organic frameworks for reversible hydrogen storage. Appl Phys Lett 2008;92.
[114] Kalidindi SB, Oh H, Hirscher M, Esken D, Wiktor C, Turner S, et al. Metal@COFs: covalent organic frameworks as templates for Pd nanoparticles and hydrogen storage properties of Pd@COF-102 hybrid material. Chemistry 2012;18: 10848-56.
[115] Chen ZJ, Kirlikovali KO, Idrees KB, Wasson MC, Farha OK. Porous materials for hydrogen storage. Chem-Us 2022;8:693-716.
[116] Peng YY, Yu JS, Liu XH, Meng TM, Zhao XH, Li LA. Enhanced pore structure regulation in porous aromatic framework materials via montmorillonite templating. Colloid Surface 2023;678:132468.
[117] Ben T, Ren H, Ma S, Cao D, Lan J, Jing X, et al. Targeted synthesis of a porous aromatic framework with high stability and exceptionally high surface area. Angew Chem Int Ed Engl 2009;48:9457-60.
[118] Yuan D, Lu W, Zhao D, Zhou HC. Highly stable porous polymer networks with exceptionally high gas-uptake capacities. Adv Mater 2011;23:3723-5.
[119] Hayat A, Sohail M, El Jery A, Al-Zaydi KM, Raza S, Ali H, et al. Recent advances in ground-breaking conjugated microporous polymers-based materials, their synthesis, modification and potential applications. Mater Today 2023;64: 180-208.
[120] Qiao S, Du Z, Yang R. Design and synthesis of novel carbazole-spacer-carbazole type conjugated microporous networks for gas storage and separation. J Mater Chem A 2014;2:1877-85.
[121] Zeng W, Zhang Y, Zhao XB, Qin ML, Li XY, Jin WS, et al. One-pot synthesis of conjugated microporous polymers based on extended molecular graphenes for hydrogen storage. Polymer 2019;174:96-100.
[122] Tsyurupa MP, Davankov VA. Porous structure of hypercrosslinked polystyrene: state-of-the-art mini-review. React Funct Polym 2006;66:768-79.
[123] Raza S, Nazeer S, Abid A, Kanwal A. Recent research progress in the synthesis, characterization and applications of hyper cross-linked polymer. J Polym Res 2023;30:415.
[124] Lee JY, Wood CD, Bradshaw D, Rosseinsky MJ, Cooper AI. Hydrogen adsorption in microporous hypercrosslinked polymers. Chem Commun 2006:2670-2.
[125] Wood CD, Tan B, Trewin A, Niu HJ, Bradshaw D, Rosseinsky MJ, et al. Hydrogen storage in microporous hypercrosslinked organic polymer networks. Chem Mater 2007;19:2034-48.
[126] Tian M, Rochatz S, Fawcett H, Burrows AD, Bowen CR, Mays TJ. Chemical modification of the polymer of intrinsic microporosity PIM-1 for enhanced hydrogen storage. Adsorption 2020;26:1083-91.
[127] Rochat S, Polak-Krasna K, Tian M, Holyfield LT, Mays TJ, Bowen CR, et al. Hydrogen storage in polymer-based processable microporous composites. J Mater Chem A 2017;5:18752-61.
[128] Tian M, Rochat S, Polak-Krasna K, Holyfield LT, Burrows AD, Bowen CR, et al. Nanoporous polymer-based composites for enhanced hydrogen storage. Adsorption 2019;25:889-901.
[129] Budd PM, Elabas ES, Ghanem BS, Makhseed S, McKeown NB, Msayib KJ, et al. Solution-processed, organophilic membrane derived from a polymer of intrinsic microporosity. Adv Mater 2004;16:456-9.
[130] Rochat S, Polak-Krasna K, Tian M, Mays TJ, Bowen CR, Burrows AD. Assessment of the long-term stability of the polymer of intrinsic microporosity PIM-1 for hydrogen storage applications. Int J Hydrogen Energy 2019;44:332-7.
[131] Bhattacharyya R, Mohan S. Solid state storage of hydrogen and its isotopes: an engineering overview. Renew Sustain Energy Rev 2015;41:872-83.
[132] Li J, Gao ZR, Lin Q-F, Liu C, Gao F, Lin C, et al. A 3D extra-large-pore zeolite enabled by 1D-to-3D topotactic condensation of a chain silicate. Science 2023; 379:283-7.
[133] Li M, Yin W, Pan J, Zhu Y, Sun N, Zhang X, et al. Hydrogen spillover as a promising strategy for boosting heterogeneous catalysis and hydrogen storage. Chem Eng J 2023;471:144691.
[134] Allendorf MD, Hulvey Z, Gennett T, Ahmed A, Autrey T, Camp J, et al. An assessment of strategies for the development of solid-state adsorbents for vehicular hydrogen storage. Energy Environ Sci 2018;11:2784-812.
[135] Langmi HW, Book D, Walton A, Johnson SR, Al-Mamouri MM, Speight JD, et al. Hydrogen storage in ion-exchanged zeolites. J Alloys Compd 2005;404-406: 637-42.
[136] Chung K-H. High-pressure hydrogen storage on microporous zeolites with varying pore properties. Energy 2010;35:2235-41.
[137] Fatriansyah JF, Dhaneswara D, Suhariadi I, Widyantoro MI, Ramadhan BA, Rahmatullah MZ, et al. Simple molecular dynamics simulation of hydrogen adsorption on ZSM 5, graphite nanofiber, graphene oxide framework, and reduced graphene oxide. Heliyon 2021;7:08528.
[138] Zhang Y, Bhattacharjee G, Kumar R, Linga P. Solidified hydrogen storage (SolidHyStore) via clathrate hydrates. Chem Eng J 2022;431:133702.
[139] Gupta A, Baron GV, Perreault P, Lenaerts S, Ciocarlan R-G, Cool P, et al. Hydrogen clathrates: next generation hydrogen storage materials. Energy Storage Mater 2021;41:69-107.
[140] Veluswamy HP, Kumar R, Linga P. Hydrogen storage in clathrate hydrates: current state of the art and future directions. Appl Energy 2014;122:112-32.
[141] Ogata K, Hashimoto S, Sugahara T, Moritoki M, Sato H, Ohgaki K. Storage capacity of hydrogen in tetrahydrofuran hydrate. Chem Eng Sci 2008;63:5714-8.
[142] Matsumoto Y, Grim RG, Khan NM, Sugahara T, Ohgaki K, Sloan ED, et al. Investigating the thermodynamic stabilities of hydrogen and methane binary gas hydrates. J Phys Chem C 2014;118:3783-8.
[143] Park J, Lee H. Spectroscopic evidences of the double hydrogen hydrates stabilized with ethane and propane. Kor J Chem Eng 2007;24:624-7.
[144] Belosludov R, Zhdanov RK, Subbotin O, Mizuseki H, Souissi M, Kawazoe Y, et al. Theoretical modelling of the phase diagrams of clathrate hydrates for hydrogen storage applications. Mol Simulat 2012;38:773-80.
[145] Florusse LJ, Peters CJ, Schoonman J, Hester KC, Koh CA, Dec SF, et al. Stable lowpressure hydrogen clusters stored in a binary clathrate hydrate. Science 2004; 306:469-71.
[146] Lee H, Lee J-w, Kim DY, Park J, Seo Y-T, Zeng H, et al. Tuning clathrate hydrates for hydrogen storage. Nature 2005;434:743-6.
[147] Sugahara T, Haag JC, Prasad PS, Warntjes AA, Sloan ED, Sum AK, et al. Increasing hydrogen storage capacity using tetrahydrofuran. J Am Chem Soc 2009;131: 14616-7.
[148] Liu J, Hou J, Xu J, Liu H, Chen G, Zhang J. Ab initio study of the molecular hydrogen occupancy in pure H2 and binary H2-THF clathrate hydrates. Int J Hydrogen Energy 2017;42:17136-43.
[149] Belosludov R, Zhdanov R, Subbotin O, Mizuseki H, Kawazoe Y, Belosludov V. Theoretical study of hydrogen storage in binary hydrogen-methane clathrate hydrates. J Renew Sustain Energy 2014;6.
[150] Liu S, Zhang W, Wu H, Wang J, Yuan Y, Wang S, et al. Molecular hydrogen storage in binary H2-CH4 clathrate hydrates. J Mol Liq 2023;376:121496.
[151] Liu J, Hou J, Xu J, Liu H, Li S, Chen G, et al. Theoretical investigation of exchange of N2 and H2 in sII clathrate hydrates. Chem Phys Lett 2016;660:266-71.
[152] Chen S, Wang Y, Lang X, Fan S, Li G. Rapid and high hydrogen storage in epoxycyclopentane hydrate at moderate pressure. Energy 2023;268:126638.
[153] Papadimitriou N, Tsimpanogiannis I, Peters C, Papaioannou AT, Stubos A. Hydrogen storage in sH hydrates: a Monte Carlo study. J Phys Chem B 2008;112: 14206-11.
[154] Deschamps J, Dalmazzone D. Hydrogen storage in semiclathrate hydrates of tetrabutyl ammonium chloride and tetrabutyl phosphonium bromide. J Chem Eng Data 2010;55:3395-9.
[155] Strobel TA, Koh CA, Sloan ED. Hydrogen storage properties of clathrate hydrate materials. Fluid Phase Equil 2007;261:382-9.
[156] Li L, Tang S, Wang C, Lv X, Jiang M, Wu H, et al. High gas storage capacities and stepwise adsorption in a UiO type metal-organic framework incorporating Lewis basic bipyridyl sites. Chem Commun 2014;50:2304-7.
[157] Ma Z, Zou J, Khan D, Zhu W, Hu C, Zeng X, et al. Preparation and hydrogen storage properties of MgH 2 -trimesic acid-TM MOF ( ) composites. J Mater Sci Technol 2019;35:2132-43.
[158] Lu Z, He J, Song M, Zhang Y, Wu F, Zheng J, et al. Bullet-like vanadium-based MOFs as a highly active catalyst for promoting the hydrogen storage property in MgH 2 . Int J Miner Metall Mater 2023;30:44-53.
[159] Muhammed NS, Haq B, Al Shehri D, Al-Ahmed A, Rahman MM, Zaman E. A review on underground hydrogen storage: insight into geological sites, influencing factors and future outlook. Energy Rep 2022;8:461-99.
[160] Tarkowski R, Uliasz-Misiak B. Towards underground hydrogen storage: a review of barriers. Renew Sustain Energy Rev 2022;162:112451.
[161] Tarkowski R. Underground hydrogen storage: characteristics and prospects. Renew Sustain Energy Rev 2019;105:86-94.
[162] Bünger U, Michalski J, Crotogino F, Kruck O. Large-scale underground storage of hydrogen for the grid integration of renewable energy and other applications. Compendium of Hydrogen Energy: Elsevier 2016:133-63.
[163] Lord AS, Kobos PH, Borns DJ. Geologic storage of hydrogen: scaling up to meet city transportation demands. Int J Hydrogen Energy 2014;39:15570-82.
[164] Raad SMJ, Leonenko Y, Hassanzadeh H. Hydrogen storage in saline aquifers: opportunities and challenges. Renew Sustain Energy Rev 2022;168:112846.
[165] Osman AI, Mehta N, Elgarahy AM, Hefny M, Al-Hinai A, Al-Muhtaseb AaH, et al. Hydrogen production, storage, utilisation and environmental impacts: a review. Environ Chem Lett 2022:1-36.
[166] Lemieux A, Sharp K, Shkarupin A. Preliminary assessment of underground hydrogen storage sites in Ontario, Canada. Int J Hydrogen Energy 2019;44: 15193-204.
[167] Michalski J, Bünger U, Crotogino F, Donadei S, Schneider GS, Pregger T, et al. Hydrogen generation by electrolysis and storage in salt caverns: potentials, economics and systems aspects with regard to the German energy transition. Int J Hydrogen Energy 2017;42:13427-43.
[168] Crotogino F, Donadei S, Bünger U, Landinger H. Large-scale hydrogen underground storage for securing future energy supplies. In: 18th World hydrogen energy conference; 2010. p. 37-45.
[169] Sainz-Garcia A, Abarca E, Rubi V, Grandia F. Assessment of feasible strategies for seasonal underground hydrogen storage in a saline aquifer. Int J Hydrogen Energy 2017;42:16657-66.
[170] Zivar D, Kumar S, Foroozesh J. Underground hydrogen storage: a comprehensive review. Int J Hydrogen Energy 2021;46:23436-62.
[171] Tarkowski R, Czapowski G. Salt domes in Poland – potential sites for hydrogen storage in caverns. Int J Hydrogen Energy 2018;43:21414-27.
[172] Lord AS. Overview of geologic storage of natural gas with an emphasis on assessing the feasibility of storing hydrogen. Albuquerque, NM, and Livermore, CA: Sandia National Laboratories (SNL); 2009.
[173] Tackie-Otoo BN, Haq MB. A comprehensive review on geo-storage of H2 in salt caverns: prospect and research advances. Fuel 2024;356:129609.
[174] Raad SMJ, Leonenko Y, Hassanzadeh H. Hydrogen storage in saline aquifers: opportunities and challenges. Renew Sustain Energy Rev 2022;168:112846.
[175] Cyran K. Insight into a shape of salt storage caverns. Arch Min Sci 2020;65: 363-98.
[176] Landinger H, Crotogino F. The role of large-scale hydrogen storage for future renewable energy utilisation. In: Second international renewable energy storage conference (IRES II); 2007.
[177] Caglayan DG, Weber N, Heinrichs HU, Linssen J, Robinius M, Kukla PA, et al. Technical potential of salt caverns for hydrogen storage in Europe. Int J Hydrogen Energy 2020;45:6793-805.
[178] Dias W, Roehl D, Mejia C, Sotomayor P. Cavern integrity for underground hydrogen storage in the Brazilian pre-salt fields. Int J Hydrogen Energy 2023;48: 26853-69.
[179] Liu W, Zhang ZX, Chen J, Jiang DY, Wei F, Fan JY, et al. Feasibility evaluation of large-scale underground hydrogen storage in bedded salt rocks of China: a case study in Jiangsu province. Energy 2020;198:117348.
[180] Panfilov M, Gravier G, Fillacier S. Underground storage of H2 and H2-CO2-CH4 mixtures. In: ECMOR X-10th European conference on the mathematics of oil recovery. European Association of Geoscientists & Engineers; 2006. 23-00003.
[181] Kruck O, Crotogino F, Prelicz R, Tjkutg Rudolph. Assessment of the potential, the actors and relevant business cases for large scale and seasonal storage of renewable electricity by hydrogen underground storage in Europe. 2013. p. 1-32.
[182] Navaid HB, Emadi H, Watson M. A comprehensive literature review on the challenges associated with underground hydrogen storage. Int J Hydrogen Energy 2023;48:10603-35.
[183] Bo ZK, Zeng LP, Chen YQ, Xie Q. Geochemical reactions-induced hydrogen loss during underground hydrogen storage in sandstone reservoirs. Int J Hydrogen Energy 2021;46:19998-20009.
[184] Perera MSA. A review of underground hydrogen storage in depleted gas reservoirs: insights into various rock-fluid interaction mechanisms and their impact on the process integrity. Fuel 2023;334:126677.
[185] Moser A. Bioprocess technology: kinetics and reactors. Springer Science & Business Media; 2012.
[186] Al-Yaseri A, Esteban L, Giwelli A, Sarout J, Lebedev M, Sarmadivaleh M. Initial and residual trapping of hydrogen and nitrogen in Fontainebleau sandstone using nuclear magnetic resonance core flooding. Int J Hydrogen Energy 2022;47: 22482-94.
[187] Sekar LK, Kiran R, Okoroafor ER, Wood DA. Review of reservoir challenges associated with subsurface hydrogen storage and recovery in depleted oil and gas reservoirs. J Energy Storage 2023;72:108605.
[188] Matos CR, Carneiro JF, Silva PP. Overview of large-scale underground energy storage technologies for integration of renewable energies and criteria for reservoir identification. J Energy Storage 2019;21:241-58.
[189] Lai Q, Sun Y, Wang T, Modi P, Cazorla C, Demirci UB, et al. How to design hydrogen storage materials? Fundamentals, synthesis, and storage tanks. Advanced Sustainable Systems 2019;3:1900043.
[190] Zhang F, Zhao PC, Niu M, Maddy J. The survey of key technologies in hydrogen energy storage. Int J Hydrogen Energy 2016;41:14535-52.
[191] Ramimoghadam D, Gray EM, Webb CJ. Review of polymers of intrinsic microporosity for hydrogen storage applications. Int J Hydrogen Energy 2016;41: 16944-65.
[192] Kaur M, Pal K. Review on hydrogen storage materials and methods from an electrochemical viewpoint. J Energy Storage 2019;23:234-49.
[193] Blackman JM, Patrick JW, Arenillas A, Shi W, Snape CE. Activation of carbon nanofibres for hydrogen storage. Carbon 2006;44:1376-85.
[194] Aceves SM, Berry GD, Martinez-Frias J, Espinosa-Loza F. Vehicular storage of hydrogen in insulated pressure vessels. Int J Hydrogen Energy 2006;31:2274-83.
[195] Wang Y, Adroher XC, Chen JX, Yang XG, Miller T. Three-dimensional modeling of hydrogen sorption in metal hydride hydrogen storage beds. J Power Sources 2009;194:997-1006.
[196] Klopčič N, Grimmer I, Winkler F, Sartory M, Trattner A. A review on metal hydride materials for hydrogen storage. J Energy Storage 2023;72:108456.
[197] Lototskyy MV, Yartys VA, Pollet BG, Bowman RC. Metal hydride hydrogen compressors: a review. Int J Hydrogen Energy 2014;39:5818-51.
[198] Tarasov BP, Fursikov PV, Volodin AA, Bocharnikov MS, Shimkus YY, Kashin AM, et al. Metal hydride hydrogen storage and compression systems for energy storage technologies. Int J Hydrogen Energy 2021;46:13647-57.
[199] Modi P, Aguey-Zinsou KF. Room temperature metal hydrides for stationary and heat storage applications: a review. Front Energy Res 2021;9:616115.
[200] Salman MS, Lai QW, Luo XX, Pratthana C, Rambhujun N, Costalin M, et al. The power of multifunctional metal hydrides: a key enabler beyond hydrogen storage. J Alloys Compd 2022;920:165936.
[201] He T, Cao H, Chen P. Complex hydrides for energy storage, conversion, and utilization. Adv Mater 2019;31:e1902757.
[202] Orimo S, Nakamori Y, Eliseo JR, Zuttel A, Jensen CM. Complex hydrides for hydrogen storage. Chem Rev 2007;107:4111-32.
[203] de Jongh PE, Adelhelm P. Nanosizing and nanoconfinement: new strategies towards meeting hydrogen storage goals. ChemSusChem 2010;3:1332-48.
[204] Pang Y, Liu Y, Gao M, Ouyang L, Liu J, Wang H, et al. A mechanical-force-driven physical vapour deposition approach to fabricating complex hydride nanostructures. Nat Commun 2014;5:3519.
[205] Balde CP, Hereijgers BP, Bitter JH, de Jong KP. Sodium alanate nanoparticleslinking size to hydrogen storage properties. J Am Chem Soc 2008;130:6761-5.
[206] Pratthana C, Yang YW, Rawal A, Aguey-Zinsou KF. Nanoconfinement of lithium alanate for hydrogen storage. J Alloys Compd 2022;926:166834.
[207] Gutowska A, Li L, Shin Y, Wang CM, Li XS, Linehan JC, et al. Nanoscaffold mediates hydrogen release and the reactivity of ammonia borane. Angew Chem Int Ed Engl 2005;44:3578-82.
[208] Wahab MA, Zhao HJ, Yao XD. Nano-confined ammonia borane for chemical hydrogen storage. Front Chem Sci Eng 2012;6:27-33.
[209] Valero-Pedraza MJ, Cot D, Petit E, Aguey-Zinsou KF, Alauzun JG, Demirci UB. Ammonia borane nanospheres for hydrogen storage. ACS Appl Nano Mater 2019; 2:1129-38.
[210] Lai QW, Pratthana C, Yang YW, Rawal A, Aguey-Zinsou KF. Nanoconfinement of complex borohydrides for hydrogen storage. ACS Appl Nano Mater 2021;4:973-8.
[211] Ngene P, Adelhelm P, Beale AM, de Jong KP, de Jongh PE. LiBH/SBA-15 nanocomposites prepared by melt infiltration under hydrogen pressure: synthesis and hydrogen sorption properties. J Phys Chem C 2010;114:6163-8.
[212] Le TT, Pistidda C, Nguyen VH, Singh P, Raizada P, Klassen T, et al.
Nanoconfinement effects on hydrogen storage properties of MgH and LiBH . Int J Hydrogen Energy 2021;46:23723-36.
[213] Zhang QY, Huang YK, Ma TC, Li K, Ye F, Wang XC, et al. Facile synthesis of small MgH nanoparticles confined in different carbon materials for hydrogen storage. J Alloys Compd 2020;825:153953.
[214] Ma Z, Zhang Q, Panda S, Zhu W, Sun F, Khan D, et al. In situ catalyzed and nanoconfined magnesium hydride nanocrystals in a Ni-MOF scaffold for hydrogen storage. Sustain Energy Fuels 2020;4:4694-703.
[215] Pohlmann C, Röntzsch L, Hu J, Weißgärber T, Kieback B, Fichtner M. Tailored heat transfer characteristics of pelletized and NaAlH 4 hydrogen storage materials. J Power Sources 2012;205:173-9.
[216] Milanese C, Garroni S, Gennari F, Marini A, Klassen T, Dornheim M, et al. Solid state hydrogen storage in alanates and alanate-based compounds: a review. Metals 2018;8:567.
[217] Gao Q, Xia G, Yu X. Confined NaAlH(4) nanoparticles inside CeO(2) hollow nanotubes towards enhanced hydrogen storage. Nanoscale 2017;9:14612-9.
[218] Broom DP, Webb CJ, Fanourgakis GS, Froudakis GE, Trikalitis PN, Hirscher M. Concepts for improving hydrogen storage in nanoporous materials. Int J Hydrogen Energy 2019;44:7768-79.
[219] Shet SP, Priya SS, Sudhakar K, Tahir M. A review on current trends in potential use of metal-organic framework for hydrogen storage. Int J Hydrogen Energy 2021;46:11782-803.
[220] Yuan S, Zou L, Qin JS, Li J, Huang L, Feng L, et al. Construction of hierarchically porous metal-organic frameworks through linker labilization. Nat Commun 2017; 8:15356.
[221] Ahmed A, Seth S, Purewal J, Wong-Foy AG, Veenstra M, Matzger AJ, et al. Exceptional hydrogen storage achieved by screening nearly half a million metalorganic frameworks. Nat Commun 2019;10:1568.
[222] Yang SL, Karve VV, Justin A, Kochetygov I, Espín J, Asgari M, et al. Enhancing MOF performance through the introduction of polymer guests. Coord Chem Rev 2021;427:213525.
[223] Zhang X, Zhang S, Tang Y, Huang X, Pang H. Recent advances and challenges of metal-organic framework/graphene-based composites. Compos B Eng 2022;230: 109532.
[224] Kang PC, Ou YS, Li GL, Chang JK, Wang CY. Room-temperature hydrogen adsorption via spillover in Pt nanoparticle-decorated UiO-66 nanoparticles: implications for hydrogen storage. ACS Appl Nano Mater 2021;4:11269-80.
[225] Chen L, Zhang X, Cheng X, Xie Z, Kuang Q, Zheng L. The function of metalorganic frameworks in the application of MOF-based composites. Nanoscale Adv 2020;2:2628-47.
[226] Ren J, Huang Y, Zhu H, Zhang B, Zhu H, Shen S, et al. Recent progress on MOFderived carbon materials for energy storage. Carbon Energy 2020;2:176-202.
[227] Li X, Yang X, Xue H, Pang H, Xu Q. Metal-organic frameworks as a platform for clean energy applications. Inside Energy 2020;2:100027.
[228] Niu S, Wang Z, Zhou T, Yu M, Yu M, Qiu J. A polymetallic metal-organic framework-derived strategy toward synergistically multidoped metal oxide electrodes with ultralong cycle life and high volumetric capacity. Adv Funct Mater 2016;27:1605332.
[229] Shi W, Ye C, Xu X, Liu X, Ding M, Liu W, et al. High-performance membrane capacitive deionization based on metal-organic framework-derived hierarchical carbon structures. ACS Omega 2018;3:8506-13.
[230] Bao W, Yu J, Chen F, Du H, Zhang W, Yan S, et al. Controllability construction and structural regulation of metal-organic frameworks for hydrogen storage at ambient condition: a review. Int J Hydrogen Energy 2023.
[231] Chavan S, Vitillo JG, Gianolio D, Zavorotynska O, Civalleri B, Jakobsen S, et al. H 2 storage in isostructural UiO-67 and UiO-66 MOFs. Phys Chem Chem Phys 2012;14:1614-26.
[232] Xia YD, Yang ZX, Zhu YQ. Porous carbon-based materials for hydrogen storage: advancement and challenges. J Mater Chem A 2013;1:9365-81.
[233] Xu H, Shang H, Wang C, Du Y. Low-dimensional metallic nanomaterials for advanced electrocatalysis. Adv Funct Mater 2020;30:2006317.
[234] Van der Ven A, Deng Z, Banerjee S, Ong SP. Rechargeable alkali-ion battery materials: theory and computation. Chem Rev 2020;120:6977-7019.
[235] Wang ZF, Jin KH, Liu F. Computational design of two-dimensional topological materials. WIREs Computational Molecular Science 2017;7:e1304.
[236] Mroz AM, Posligua V, Tarzia A, Wolpert EH, Jelfs KE. Into the unknown: how computation can help explore uncharted material space. J Am Chem Soc 2022; 144:18730-43.
[237] Miracle DB, Li M, Zhang ZH, Mishra R, Flores KM. Emerging capabilities for the high-throughput characterization of structural materials. Annu Rev Mater Res 2021;51(2021):131-64. 51.
[238] Xu D, Zhang Q, Huo X, Wang Y, Yang M. Advances in data-assisted highthroughput computations for material design. Materials Genome Engineering Advances 2023;1:e11.
[239] Cazorla C. The role of density functional theory methods in the prediction of nanostructured gas-adsorbent materials. Coord Chem Rev 2015;300:142-63.
[240] Altintas C, Keskin S. On the shoulders of high-throughput computational screening and machine learning: design and discovery of MOFs for H2 storage and purification. Mater Today Energy 2023;38:101426.
[241] Ren E, Guilbaud P, Coudert FX. High-throughput computational screening of nanoporous materials in targeted applications. Digital Discovery 2022;1:355-74.
[242] Colón YJ, Fairen-Jimenez D, Wilmer CE, Snurr RQ. High-throughput screening of porous crystalline materials for hydrogen storage capacity near room temperature. J Phys Chem C 2014;118:5383-9.
[243] Ahmed A, Liu YY, Purewal J, Tran LD, Wong-Foy AG, Veenstra M, et al. Balancing gravimetric and volumetric hydrogen density in MOFs. Energy Environ Sci 2017; 10:2459-71.
[244] Deniz CU, Mert H, Baykasoglu C. Li-doped fullerene pillared graphene nanocomposites for enhancing hydrogen storage: a computational study. Comput Mater Sci 2021;186:110023.
[245] Bian LY, Li XD, Huang XY, Yang PH, Wang YD, Liu XY, et al. Molecular simulation on hydrogen storage properties of five novel covalent organic frameworks with the higher valency. Int J Hydrogen Energy 2022;47:29390-8.
[246] Li QY, Qiu SY, Wu CZ, Lau T, Sun CH, Jia BH. Computational investigation of graphene heterojunctions for hydrogen storage. J Phys Chem C 2021;125: 2357-63.
[247] Rana S, Monder DS, Chatterjee A. Thermodynamic calculations using reverse Monte Carlo: a computational workflow for accelerated construction of phase diagrams for metal hydrides. Comput Mater Sci 2024;233:112727.
[248] Jing ZJ, Yuan QQ, Yu Y, Kong XT, Tan KC, Wang JT, et al. Developing ideal metalorganic hydrides for hydrogen storage: from theoretical prediction to rational fabrication. ACS Mater Lett 2021;3:1417-25.
[249] Liu H, Xu C, Liang J. Dependency distance: a new perspective on syntactic patterns in natural languages. Phys Life Rev 2017;21:171-93.
[250] Montejo-Ráez A, Jiménez-Zafra SM. Current approaches and applications in natural language processing. Appl Sci 2022;12:4859.
[251] Mahadevkar SV, Khemani B, Patil S, Kotecha K, Vora DR, Abraham A, et al. A review on machine learning styles in computer vision-techniques and future directions. IEEE Access 2022;10:107293-329.
[252] Shetty SK, Siddiqa A. Deep learning algorithms and applications in computer vision. Int J Comput Sci Eng 2019;7:195-201.
[253] Jovel J, Greiner R. An introduction to machine learning approaches for biomedical research. Front Med 2021;8:771607.
[254] Athanasopoulou K, Daneva GN, Adamopoulos PG, Scorilas A. Artificial intelligence: the milestone in modern biomedical research. BioMedInformatics 2022;2:727-44.
[255] Cebollada S, Paya L, Flores M, Peidró A, Reinoso O. A state-of-the-art review on mobile robotics tasks using artificial intelligence and visual data. Expert Syst Appl 2021;167:114195.
[256] Cully A, Clune J, Tarapore D, Mouret JB. Robots that can adapt like animals. Nature 2015;521. 503-U476.
[257] Tsai C-W, Lai C-F, Chiang M-C, Yang LT. Data mining for internet of things: a survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials 2014;16:77-97.
[258] Wang T, Pan R, Martins ML, Cui J, Huang Z, Thapaliya BP, et al. Machine-learning-assisted material discovery of oxygen-rich highly porous carbon active materials for aqueous supercapacitors. Nat Commun 2023;14:4607.
[259] Borboudakis G, Stergiannakos T, Frysali M, Klontzas E, Tsamardinos I, Froudakis GE. Chemically intuited, large-scale screening of MOFs by machine learning techniques. npj Comput Mater 2017;3:40.
[260] Lv C, Zhou X, Zhong L, Yan C, Srinivasan M, Seh ZW, et al. Machine learning: an advanced platform for materials development and state prediction in lithium-ion batteries. Adv Mater 2022;34:e2101474.
[261] Kim J, Kang D, Kim S, Jang HW. Catalyze materials science with machine learning. ACS Mater Lett 2021;3:1151-71.
[262] Shi Z, Yang W, Deng X, Cai C, Yan Y, Liang H, et al. Machine-learning-assisted high-throughput computational screening of high performance metal-organic frameworks. Molecular Systems Design & Engineering 2020;5:725-42.
[263] Jäger MO, Morooka EV, Federici Canova F, Himanen L, Foster AS. Machine learning hydrogen adsorption on nanoclusters through structural descriptors, 4; 2018. p. 37.
[264] Hattrick-Simpers JR, Choudhary K, Corgnale C. A simple constrained machine learning model for predicting high-pressure-hydrogen-compressor materials. Molecular Systems Design & Engineering 2018;3:509-17.
[265] Nations S, Nandi T, Ramazani A, Wang SN, Duan YH. Metal hydride compositionderived parameters as machine learning features for material design and H2 storage. J Energy Storage 2023;70:107980.
[266] Kim JM, Ha T, Lee J, Lee Y-S, Shim J-H. Prediction of pressure-compositiontemperature curves of AB2-type hydrogen storage alloys by machine learning. Met Mater Int 2022;29:861-9.
[267] Thanh HV, Taremsari SE, Ranjbar B, Mashhadimoslem H, Rahimi E, Rahimi M, et al. Hydrogen storage on porous carbon adsorbents: rediscovery by naturederived algorithms in random forest machine learning model. Energies 2023;16: 2348.
[268] Shekhar S, Chowdhury C. Prediction of hydrogen storage in metal-organic frameworks: a neural network based approach. Results in Surfaces and Interfaces 2024;14:100166.
[269] Ahmed A, Siegel DJ. Predicting hydrogen storage in MOFs via machine learning. Patterns (N Y) 2021;2:100291.
[270] Salehi K, Rahmani M, Atashrouz S. Machine learning assisted predictions for hydrogen storage in metal-organic frameworks. Int J Hydrogen Energy 2023;48: 33260-75.
[271] Borja NK, Fabros CJE, Doma BT. Prediction of hydrogen adsorption and moduli of metal-organic frameworks (MOFs) using machine learning strategies. Energies 2024;17:927.

Osman, A. I., Nasr, M., Eltaweil, A. S., Hosny, M., Farghali, M., Al-Fatesh, A. S., Rooney, D. W., & Abd ElMonaem, E. M. (2024). Advances in hydrogen storage materials: harnessing innovative technology, from machine learning to computational chemistry, for energy storage solutions. International Journal of Hydrogen Energy, 67, 1270-1294. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.223

International Journal of Hydrogen Energy

Publisher’s PDF, also known as Version of record

Link to publication record in Queen’s University Belfast Research Portal

Copyright 2024 The Authors.
This is an open access article published under a Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution and reproduction in any medium, provided the author and source are cited.

Copyright for the publications made accessible via the Queen’s University Belfast Research Portal is retained by the author(s) and / or other copyright owners and it is a condition of accessing these publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

The Research Portal is Queen’s institutional repository that provides access to Queen’s research output. Every effort has been made to ensure that content in the Research Portal does not infringe any person’s rights, or applicable UK laws. If you discover content in the Research Portal that you believe breaches copyright or violates any law, please contact openaccess@qub.ac.uk.

This research has been made openly available by Queen’s academics and its Open Research team. We would love to hear how access to this research benefits you. – Share your feedback with us: http://go.qub.ac.uk/oa-feedback

Handling Editor: Ibrahim Dincer

Hydrogen storage
Compressed hydrogen
Liquified hydrogen
High-throughput screening
Computational chemistry
Machine learning

Global energy demand has been steadily increasing due to factors like population growth, economic development, and urbanization. Predictions suggest the world population will reach around 9.7 billion by 2050, consequently continuing the rise in energy demand. Presently, fossil fuels, encompassing coal, oil, and natural gas, account for approximately of the world’s energy consumption . The combustion of these fuels results in substantial greenhouse gas emissions, primarily carbon dioxide ( ), which contribute significantly to global warming, climate change, and adverse environmental effects such as severe weather events, rising sea levels, and loss of biodiversity [3-6]. Moreover, these fuels release pollutants like nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), and particulate matter (PM), leading to air pollution
and detrimental impacts on human health. Geopolitical tensions and concerns about energy security have arisen due to the uneven distribution of fossil fuel resources [7].

In response to environmental concerns and energy security issues, many nations are investing in renewable energy sources like solar [8], wind [9], and hydroelectric power [10]. These sources produce minimal to no greenhouse gas emissions, thereby reducing the carbon footprint of the energy sector [11,12]. Hydrogen, touted as a game-changer in the global energy landscape, plays a pivotal role in achieving sustainability. It is a clean, renewable, and versatile energy carrier with potential applications across transportation, power generation, industrial processes, and more [13]. The reasons for hydrogens importance include its clean energy credentials, renewability, role in energy storage, versatility in applications, the potential for domestic production enhancing energy

security, and the innovation and technological advancements it necessitates, driving economic growth and job creation [14].

For balancing the variable energy generation from renewables with demand and avoiding curtailment, energy storage systems such as batteries, compressed air, pumped storage hydropower, flywheels, and thermal energy storage have been proposed. However, these systems come with technical challenges, varying efficiencies, risks, and higher upfront costs compared to conventional methods. Hydrogen storage offers a promising solution by converting surplus electricity into hydrogen or producing it from low-carbon processes, which can be utilized as fuel in combustion engines or fuel cells. Hydrogen boasts the highest energy per mass among fuels and holds the potential for significant contributions to decarbonizing the global energy mix [15].

The pursuit of efficient hydrogen storage materials stands as a crucial aspect in the quest for sustainable energy solutions amid the global shift toward cleaner options. However, the challenge of secure and efficient storage inhibits its widespread adoption. Designing materials proficient in the storage and controlled release of hydrogen is pivotal for maximizing its potential in the energy landscape. These endeavors involve meticulous considerations, encompassing the material’s structural attributes, porosity, surface area, capacity, stability, and safety. Addressing these design considerations is fundamental to the advancement of hydrogen storage technology and its pivotal role in clean energy applications [16].

Hydrogen storage technologies can be broadly classified into two categories: physical-based and material-based approaches. Physical storage methods encompass compressed gas, liquid, and cryocompressed forms, wherein storage conditions, such as pressure or temperature, are manipulated. Contrastingly, material-based or solidstate storage relies on materials like metal hydrides, complex hydrides, and carbon-containing substances such as activated carbon, graphene, and carbon nanotubes. These materials utilize absorption or adsorption techniques, with the release of molecular hydrogen typically achieved through thermal or catalytic decomposition. This avenue of hydrogen storage has spurred extensive research into designing both homogeneous and heterogeneous catalysts to enhance hydrogen generation [17-20].

Despite significant advancements in computational frameworks and theoretical methodologies, progress has been constrained by the empirical and sequential nature of experimental work. However, recent strides in theoretical tools such as density functional theory (DFT), highthroughput screening, crystal structure prediction, and nascent machine learning approaches are reshaping the landscape. These innovations in computational chemistry, data informatics, and machine learning are catalysts, potentially accelerating the kinetics in the development of energy-related industries [21].

The objective of this review is to provide an overview of recent advancements in hydrogen storage materials and technologies. It aims to emphasize the importance of efficient storage for maximizing the potential of hydrogen as a clean and sustainable energy source. The review discusses various physical and material-based hydrogen storage technologies, explores the design considerations for hydrogen storage materials, and highlights the role of computational chemistry, highthroughput screening, and machine learning techniques in developing efficient storage materials. The ultimate goal is to showcase the potential of hydrogen storage in addressing energy demands, reducing greenhouse gas emissions, and driving clean energy innovation.

Hydrogen has garnered significant attention as a promising energy carrier with the potential to drive a sustainable future, owing to its high energy density on a weight basis. However, its low volumetric energy density presents a formidable challenge for efficient and safe storage. To
tackle this issue, various physical storage technologies for hydrogen have been developed. These methods, which include compression and liquefaction technologies, either individually or in combination, offer innovative solutions for storing hydrogen in dense and stable forms. Such technologies play a pivotal role in overcoming the limitations associated with hydrogen’s lightweight and gaseous nature, enabling its efficient transportation and utilization across various applications [22]. They serve as a gateway to unlock hydrogen’s potential as a clean energy carrier [23], with applications spanning fuel cell vehicles [24] and industrial processes [25]. Fig. 1 Provides a concise overview of various hydrogen storage technologies.

In light of this, it becomes evident that physical storage technologies for hydrogen are integral to the widespread adoption and utilization of hydrogen in achieving a clean and sustainable energy future. They enable the harnessing of hydrogen’s high energy density and its potential to generate emission-free energy. In this exploration, we will delve into the world of physical storage technologies for hydrogen, examining the principles, advantages, and limitations of these innovative solutions that play a pivotal role in harnessing the potential of hydrogen as a clean energy source.

The compressed hydrogen technique, a well-established method for hydrogen gas storage, is a critical aspect of transportation applications, particularly in the context of fuel cell cars [26]. This approach involves physically compressing hydrogen gas into pressure containers or tanks, and these tanks are engineered with the specific purpose of withstanding high pressures, often reaching up to 35 MPa ( 350 bar) and even 70 MPa (700 bar) while ensuring safety. While higher pressures offer the advantage of increased energy density, they also introduce design and material challenges for these tanks, necessitating a balanced consideration of both their positive aspects and challenges. On the positive side, this technique is marked by its maturity, with hydrogen gas compression technology being well-established and comprehensively understood. Additionally, it offers the prospect of fast refueling, potentially matching the speed of gasoline refueling with the development of appropriate infrastructure. Furthermore, compressed hydrogen has a solid safety track record, having proven itself reliable in various applications under existing laws and technologies.

However, the method is not without its challenges. Firstly, it demands significant energy for the compression process, which in turn reduces the overall efficiency of hydrogen as an energy carrier. Secondly, despite the light nature of the hydrogen stored, the tanks themselves, especially those designed for higher pressures, can be quite heavy. In terms of volumetric storage capacity, the technique provides around and at 350 and 700 bar, respectively, at room temperature [27], which can be a limiting factor. Additionally, establishing a robust infrastructure for compressed hydrogen storage and distribution is a significant challenge. It requires the development of a widespread network of refueling stations, pipelines, and storage facilities to support the demand for compressed hydrogen. The cost and complexity of building this infrastructure pose barriers to its widespread adoption [28]. Lastly, the cost of tanks, especially those constructed with materials like carbon fiber, can be notably high. In the realm of hydrogen storage, there are various types of vessels categorized into four distinct categories.

Type I cylinders are made from seamless steel, which allows them to store hydrogen at high pressures. However, they tend to be heavy and have a lower energy storage density than other cylinder types [29]. Their maximum pressure is 20 MPa , and their gravimetric storage capacity is only . Type II cylinders have a steel liner reinforced with a composite wrap, which makes them lighter and more efficient than Type I. However, they are more expensive to produce [30]. Type II cylinders can be used at pressures up to 30 MPa and are suitable for industrial applications rather than onboard applications, such as automobiles.

Type III vessels are high-pressure containers with a seamless aluminum liner fully enveloped by layers of composite materials. This design reduces their weight compared to Type I and Type II cylinders while maintaining high-pressure capabilities. However, they have low thermal conductivity, which may not be ideal for applications requiring efficient heat dissipation during hydrogen compression [31]. Type III cylinders can store hydrogen at pressures up to 70 MPa . Finally, Type IV cylinders have a plastic liner fully wrapped with composite materials, making them the lightest among all high-pressure hydrogen storage cylinders. However, their comprehensive wrapping leads to higher production costs [32]. Type IV cylinders can store hydrogen at pressures up to 70 MPa . Each cylinder type has its own set of advantages and limitations, making them suitable for various applications based on specific requirements and considerations.

Liquefied hydrogen storage entails the cryogenic preservation of hydrogen gas in its liquid state, a procedure imperative for mitigating the inherent low energy density limitation associated with gaseous hydrogen storage [33]. To liquefy hydrogen, it must subjected to cryogenic temperatures, typically maintained below , a temperature significantly lower than its critical point of 33 K [26]. This intricate process mandates successive compression and expansion stages, wherein equipment such as compressors, heat exchangers, and expansion turbines is employed to attain and sustain the requisite cryogenic conditions. Subsequently, the liquefied hydrogen is securely contained within cryogenic tanks that are meticulously designed to withstand extreme cold and inhibit boil-off, a phenomenon marked by the gradual evaporation of stored liquid hydrogen, leading to pressure escalation within the storage vessel. The transportation of liquefied
hydrogen can be facilitated through dedicated cryogenic pipelines or specialized road tankers equipped with cryogenic storage systems. Moreover, an emerging global trend encompasses the maritime transportation of liquefied hydrogen within dedicated containers on ships [34].

In a comprehensive analysis, we can delineate the notable advantages and drawbacks of liquefied hydrogen storage. On the advantageous front, liquefied hydrogen offers a substantially elevated energy density compared to gaseous hydrogen, rendering it eminently suitable for the protracted storage and long-distance transportation of hydrogen [35]. Furthermore, the technology underpinning hydrogen liquefaction and storage is deeply entrenched and bears a long-standing history of practical application, particularly within the aerospace domain [36]. Conversely, the pronounced energy intensity of the hydrogen liquefaction process entails a formidable energy demand, necessitating a substantial input of energy resources to realize and sustain the requisite cryogenic conditions [37]. In addition, the establishment of the requisite infrastructure for the widespread adoption of liquefied hydrogen storage poses a formidable challenge [38], stemming from the exacting specifications governing storage and transportation, which mandate the deployment of specialized facilities and equipment to meet these stringent requirements.

Cryo-compressed hydrogen storage is an innovative paradigm that synergistically integrates the principles of cryogenic storage and highpressure gas storage, with a primary objective of ameliorating the intrinsic challenges posed by both methodologies when employed in isolation. These challenges encompass aspects such as the voluminous storage requirements and heightened pressure prerequisites of
conventional high-pressure gas storage, along with the inescapable boiloff losses encountered in the cryogenic hydrogen storage paradigm [32]. The focal aim of this approach is to optimize hydrogen storage solutions across diverse applications, with a pronounced emphasis on the automotive sector.

Cryo-compressed hydrogen storage operates by conserving hydrogen at cryogenic temperatures, albeit at pressures exceeding those encountered in conventional liquid hydrogen storage systems. The operational temperature regime typically ranges between 20 and 70 K , and the pressures can scale up to 35 MPa [39]. Notably, this approach offers an enhanced volumetric storage capacity, reaching up to , as opposed to the approximately attainable in the case of liquefied hydrogen storage [26]. The storage vessels integral to this technique are intricate constructs that necessitate materials endowed with the capacity to endure the extremities of high pressures and exceedingly low temperatures. Typically, these storage tanks are fashioned from composite materials fortified with carbon fibers to ensure structural robustness [29]. Cryo-compressed hydrogen storage is an innovative solution addressing key challenges in the hydrogen storage field.

Analogous to the two antecedent hydrogen storage methodologies, cryo-compressed hydrogen storage exhibits a spectrum of affirmative and negative attributes. On the affirmative front, it endows higher energy density in both gravimetric and volumetric terms when juxtaposed with the discrete cryogenic and high-pressure storage systems. The safety aspect is another positive facet, as the operation occurs at temperatures where hydrogen is rendered less reactive.

Nonetheless, the cryo-compressed hydrogen storage paradigm is not devoid of challenges. Technological complexity is a prominent concern, as the development of a system capable of safe and efficient hydrogen storage under the demanding conditions of high pressure and low temperatures necessitates intricate engineering solutions. Furthermore, the requisite infrastructure for cryo-compressed storage remains an ongoing development, replete with a multitude of challenges that encompass the quest for materials capable of withstanding extreme operating conditions and the formulation of efficient cooling systems.

It is important to note that the cost of each storage technology depends on various factors, including the scale of the system, materials used, manufacturing processes, and market demand. Generally, compressed hydrogen storage incurs lower capital costs compared to other methods, while liquefied hydrogen storage can be more expensive due to the need for cryogenic infrastructure. Cryo-compressed hydrogen storage, positioned between the two in terms of cost, offers an intermediate solution. Ongoing research and development efforts aim to reduce costs and improve the efficiency of all storage technologies, thereby enhancing the economic viability of hydrogen as an energy carrier.

To summarize, these three distinctive hydrogen storage approaches each hold a pivotal role within the sphere of hydrogen technology, each endowed with varying degrees of efficiency, safety considerations, and technological readiness. Ongoing research endeavors are indispensable to grapple with and resolve the inherent challenges intrinsic to each method, thereby advancing the frontiers of hydrogen storage and transportation technologies.

The chemical mode also referred to as material-based hydrogen storage, represents a more organized approach to hydrogen storage. In this technology, hydrogen is either chemisorbed or physisorbed onto a host material and subsequently released as needed. The interaction between the surface of the host material (adsorbent) and the hydrogen gas (adsorbate) is governed by field forces, which are instrumental in retaining the hydrogen in proximity to the host [40]. This method addresses certain limitations of physical storage techniques, eliminating the need for complex and heavy-pressure vessels [41]. It also allows for controlled hydrogen release at specific temperatures, enhancing safety.

A range of materials, including metal hydrides [42], complex
hydrides [43], ammonia-based compounds [44], carbon materials, metal-organic frameworks [45], covalent organic frameworks [46], clathrates [47], and other bio-waste and porous materials [48], has been explored for chemical hydrogen storage. For instance, metal hydrides form robust metal-hydrogen bonds, enabling hydrogen absorption and release through heating or catalysis [49]. Complex hydrides, on the other hand, are multi-element compounds known for their substantial storage capacities via chemical processes [50]. Each material has its unique strengths and limitations based on various factors [51]. There is no universally ideal hydrogen storage material; the choice depends on hydrogen storage capacity, operating conditions, thermodynamics, kinetics, stability, reversibility, availability, cost, and environmental impact. Subsequent sections will delve into advancements in selected materials for chemical hydrogen storage.

In addition, liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) present an alternative option for hydrogen storage. In LOHC systems, hydrogen is bonded with -lean ions, and a catalytic dehydrogenation process is employed for release. These systems offer simplicity in operation, environmental friendliness during storage and release, and the potential for reusing the liquid carrier, which is non-corrosive and non-toxic and stored at low pressure. However, LOHCs have limited hydrogen storage potential, with the maximum recorded value being , which restricts their widespread use [52].

Chemical sorption involves the covalent binding of hydrogen to a host material, resulting in the breaking down of hydrogen molecules into atomic form due to strong binding enthalpy [53]. Compounds containing hydrogen are disintegrated into atoms and incorporated into the molecular structure of the catalyst substance during chemical sorption [30]. Metal hydrides are a prominent category among materials suitable for chemical sorption. Despite its advantages, such as the ability to store hydrogen under normal conditions and eco-friendly operations, chemical sorption faces challenges such as high expense, weight, and operational temperature, along with the need to enhance charge-discharge kinetics and manage the production of undesirable gases during desorption [54].
2.2.1.1. Metal hydrides. Metal hydrides, a category of materials composed of metal and hydrogen, have garnered considerable attention recently due to their substantial hydrogen-storage capacities, rendering them promising for hydrogen-based energy systems. Their attributes, including high energy density, relatively low cost, and environmental friendliness, render them attractive for applications spanning portable electronics, electric vehicles, and renewable energy systems. However, their advancement for hydrogen storage encounters significant hurdles, notably the identification of materials with high hydrogen-storage capacity while maintaining stability, safety, and economic viability [55].

Various metal hydrides, such as those derived from magnesium, aluminum, and titanium, are under scrutiny by researchers aiming to fulfill the requisites mentioned above. The performance of metal hydrides hinges on several factors, including the metal selection, size and morphology of hydride particles, material purity, and the presence of impurities. These materials form via reversible chemical reactions as certain metals or alloys absorb hydrogen, leading to high volumetric hydrogen density and storage capabilities [56]. Ongoing research endeavors focus on crafting efficient metal hydrides for hydrogen storage, capable of securely and densely storing hydrogen by expanding the metal lattice during absorption and contracting it during release. However, achieving optimal hydrogen absorption and desorption capacities at suitable temperatures and pressures poses a challenge.

Metal hydrides generally have a hydrogen storage capacity of approximately of their weight, which can increase to with active heating for hydrogen removal. While metal hydride tanks can repeatedly store and release hydrogen, their storage capacity is
limited by the accumulation of impurities within the tanks, which clog the spaces where hydrogen would typically be stored, reducing the tank’s capacity. The amount of heat transferred, hydrogen absorbed, and hydrogen desorbed in a reversible metal hydride operating at room temperature and atmospheric pressure is generally dependent on the metal alloy used for hydrogen storage [22]. A simplified model illustrating how hydrogen is stored and absorbed in a metal hydride is depicted in Fig. 2.
2.2.1.1.1. Magnesium hydride ( ). Magnesium hydride ( ) showcases remarkable gravimetric ( ) and volumetric ( ) hydrogen densities owing to its inexhaustible, cost-effective nature, lightweight, and high chemical stability [57]. However, a major obstacle associated with pertains to its robust thermal stability, particularly the formidable bond ( ), which impedes hydrogen release. Consequently, achieving effective hydrogen adsorption/desorption with at ambient pressure necessitates moderately high temperatures ( ) [58]. Despite the benefits mentioned above, there are challenges associated with its practical use, including high thermodynamic stability, slow kinetics, and high operating temperatures [59]. Modification strategies, such as catalyst addition and nanostructuring by reducing the particle size [60], have been explored to improve its kinetics and reduce operating temperatures. To further clarify the nanostructuring effect, the low surface area of bulk Mg results in a low rate of hydrogen dissociation on the magnesium surface [61]. Consequently, small particle sizes and large specific surface areas of nanostructures made using mechanical ball milling, and nanoconfinement can shorten hydrogen diffusion paths and increase the kinetics of hydrogen desorption and absorption.

In line with the abovementioned ball milling technique, a recent study [62] indicated that about of hydrogen at 523 K required absorption and desorption over periods of 20 min and 50 min under pressures of one and zero MPa, respectively, using reactive ball milling of magnesium powder under high pressure of hydrogen gas for 25 h . However, the aggregation of ball-milled nanoparticles during the successive cycles of hydrogen release and uptake could deteriorate the reversible hydrogen storage capacity [63]. Therefore, the application of nano scaffolds is considered a good strategy for avoiding nanoparticle
agglomeration. This strategy was employed in a recent investigation [64], in which a porous three-dimensional activated carbon nanostructure modified with Ni and Fe was used to impregnate to attain a high hydrogen storage capacity of approximately at 453 K and 1 MPa in just 5 min with a high degree of stability.

Generally, the dehydrogenation of magnesium hydride is an endothermic process, indicating that it involves an input of energy to cause bond breakage and release the stored hydrogen. The energy barrier of this process can be described by the activation energy needed to start the dehydrogenation reaction. This activation energy is commonly ranging from 150 to for the dehydrogenation of magnesium hydride. In a recent trial by Meng et al. [65], the activation energy dropped to 78 by catalyzing the reaction using microspheres at room temperature with a stable reversible capacity of for magnesium hydride for ten cycles. Concomitantly with improving the performance and stability of magnesium hydride, Wang et al. [59] found that was released in 10 min at 573 K and started to absorb at 313 K using an alloy of different metals, including , and Ni. Additionally, hydrogen storage volume was maintained in the same study after twenty cycles at 573 K .
2.2.1.1.2. Lithium hydride (LiH). Lithium hydride (LiH), which is considered one of the lightest metal hydrides ever, has a high gravimetric hydrogen storage capacity of up to around [66] but requires high temperatures ( ) and pressures for both hydrogen absorption and desorption. Practical applications of lithium hydride face persistent challenges in terms of kinetics and reversibility. One of the primary obstacles is its high formation energy ( -90.5 ) and the requirement of a high desorption temperature ( ). Moreover, LiH readily reacts with humidity, resulting in the irreversible formation of surface corrosion layers, such as lithium oxide and lithium hydroxide. Despite these challenges, controlled hydrolysis of LiH under low relative humidity is recognized as an efficient method for generating hydrogen, particularly for mobility [67,68].

Various strategies have been explored to mitigate the thermodynamic issues associated with LiH . For instance, mechanical milling has been employed to reduce the thermodynamic stability of the lithium hydride-silicon mixture, enabling the storage of hydrogen at 763

K [69]. Similarly, blending LiH with germanium has demonstrated the ability to decrease system stability and store hydrogen at 673 K [70,71]. In another study, Lei Wang and colleagues [72] synthesized LiH nanoparticles via the catalytic hydrogenation of Li , revealing that these nanoparticles, once coated with Ni, can release hydrogen from 373 K . Moreover, Pluengphon et al. [73] investigated compositions by mixing Na and Li cations under high pressure, utilizing ab initio random structure searching and cluster expansion techniques. Their findings indicated that high pressure enhances the structural stability of , and compounds, as confirmed by phonon and elastic constant calculations.

Carbon is a common additive that was previously used to enhance the adsorption/desorption of hydrogen at a temperature less than 473 K [74]. Moreover, a new strategy of inducing vacancy defects in the structure of LiH by varying the concentration of these vacancies from 1 to was very recently investigated by Bahou et al. [68] in 2023. Consequently, they found that gravimetric hydrogen storage capacity increased from to upon using lithium vacancies.
2.2.1.1.3. Sodium alanate ( ). Sodium alanate is a complex metal hydride that can store hydrogen reversibly. It has a relatively high gravimetric capacity (up to ). However, it requires high temperatures for hydrogen release and often suffers from limited reversibility and stability. Sodium alanate undergoes decomposition to liberate hydrogen via a series of three sequential steps, as depicted by the following reactions [75]:

Notably, the final step takes place at temperatures exceeding 673 K . Consequently; the practical hydrogen content is achieved primarily through the initial two reactions, transpiring at temperatures below 498 K , affording a hydrogen storage capacity of . However, the elevated desorption temperature and constrained reversibility curtail its practical utility [75].

It has been observed that doping transition metal compounds can lower reaction temperatures, facilitating hydrogen release at reduced temperatures, enhancing reaction kinetics, and improving reversibility [67,76]. In this regard, Ren et al. [77] produced titanium hydride as nanoplates supported on graphene to result in a complete dehydrogenation of sodium alanate at 353 K and rehydrogenation at 303 K under with a reversible hydrogen capacity of . Additionally, other materials, such as carbon nanomaterials, have been investigated as potential dopants [78,79].
2.2.1.1.4. Ammonia borane ( ). Ammonia borane, a chemical compound synthesized under mild operational conditions, boasts a notable theoretical hydrogen content of [80]. This compound serves as a hydrogen source through thermal or chemical processes, rendering it well-suited for portable applications. Ammonia borane is a subject of extensive research due to its impressive stability and non-toxic properties. Various methodologies have conventionally been employed to liberate the stored hydrogen from ammonia borane, with thermal dehydrogenation being a prominent option.

Thermal dehydrogenation entails the application of elevated temperatures to initiate the release of hydrogen, often requiring temperatures exceeding 373 K , thereby cleaving the and bonds within the compound and liberating hydrogen gas [81]. While this approach is conceptually straightforward, it frequently necessitates the use of relatively high temperatures and may exhibit slow kinetics.

An alternative, potentially more efficient method for hydrogen
release from ammonia borane involves hydrolysis. Ammonia borane exhibits a notable resistance to hydrolysis in aqueous solutions, thus demanding the presence of an efficient catalyst to induce hydrolytic dehydrogenation at ambient temperatures. Metal-catalyzed hydrolysis emerges as a viable choice, affording the release of a substantial quantity ( ) of hydrogen under mild conditions [82]. Thermodynamically unstable metal nanoparticles offer another avenue, which can be kinetically stabilized against agglomeration either through solid support materials characterized by extensive surface areas or via the use of ligands in solution. While the dispersion of metal nanoparticles maintained in the liquid phase by anions or polymers exhibits enhanced hydrogen release efficiency due to more active sites, it’s important to note that metal nanoparticles supported on solid materials tend to be less susceptible to aggregation, thus ensuring prolonged lifetimes in comparison to those dispersed in solutions [83]. In light of these considerations, it becomes apparent that there is no universally optimal material for hydrogen storage, as each material presents a unique spectrum of advantages and limitations.
2.2.1.1.5. Metal nitrides including amides ( ) and imides ( . Metal amides and imides, such as lithium and magnesium amides and imides constitute a type of complex hydrides that can exhibit gravimetric hydrogen storage capacities in the range of approximately , and even higher in some cases [84]. The formulas of these metal amides and imides are represented by the letters and M , respectively. The specific capacity depends on the metal, the composition of the compound, and the conditions under which hydrogen absorption occurs. Reports indicate metal amides and imides have a hydrogen release efficiency ranging from to . However, it must be noted that obtaining high hydrogen storage content and high release efficiency at low temperatures necessitates the presence of a catalytic material [26]. In addition, amides and imides undergo a dehydrogenation reaction in which ammonia is produced [31]. Consequently, this ammonia production consumes hydrogen, poisons the catalyst, and causes damage to the fuel cell.

A recently published article conducted by Che et al. [85] investigated the catalytic effect of in enhancing the hydrogen absorption and desorption efficiency of lithium-magnesium imide ( ) system using three different catalyst ratios ( 5,10 , and 15 ). Among the three ratios, the exhibited the best performance by increasing the hydrogen absorption efficiency from using the pristine hydride to , and the desorption efficiency approximately from to at 523 K and zero MPa. Furthermore, the activation energy of the hydrogen desorption was reduce from to upon using .

Physisorption entails the physical attachment of hydrogen molecules onto the surface of an adsorbent through weak van der Waals forces, typically characterized by a binding energy ranging from 10 to 100 meV [86,87]. This process occurs rapidly at lower operating temperatures and does not involve any chemical reactions. Materials conducive to physisorption include those with large surface areas and porous structures, such as activated carbon, highly porous metal-organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs), porous aromatic frameworks (PAFs), and porous organic polymers.

The utilization of porous adsorbent materials facilitates the volumetric densification of hydrogen without imposing significant alterations to the thermodynamic or kinetic properties of storage at elevated pressures. This effect is particularly pronounced at low temperatures, with numerous traditional and innovative adsorbents demonstrating considerable densification of hydrogen at 77 K , corresponding to the normal boiling point of liquid nitrogen, a readily accessible coolant. Initially, emphasis was placed on assessing the gravimetric hydrogen storage capacities of adsorbents for comparison with alternative storage concepts in liquid and solid states; however, recent attention has shifted
towards optimizing volumetric properties [88].
2.2.2.1. Activated carbon and carbon nanomaterials. The hydrogen storage capacity of activated carbon is typically around at room temperature and moderate pressures, which is lower than that of advanced materials like metal hydrides. Further, the desorption efficiency of hydrogen from activated carbon can also be limited as it often requires low temperatures ranging from 70 to 398 K for desorption, making the process energy-intensive. However, the wide availability, low cost, and high surface area of activated carbon materials attract researchers’ interest to further investigate these materials in storing hydrogen. Further, activated carbon can be utilized in the context of adsorption-based hydrogen purification and gas separation processes, where it can selectively adsorb impurities like carbon dioxide and moisture from hydrogen gas streams.

One of the classic techniques used for improving the hydrogen adsorption efficiency of various materials, such as activated carbon, is ball milling since it helps to increase the surface area. This technique was used 20 years ago by Shindo et al. [89], who recorded a hydrogen storage capacity of almost after milling a commercial sample of activated carbon for 80 h . Applying cryogenic temperatures is another common practice to enhance the hydrogen adsorption efficiency of activated carbon. In this regard, Jemma et al. [90] reported a hydrogen uptake efficacy of using activated carbon prepared by the pyrolysis of lignin material of eucalyptus chips at 0.1 MPa and 77 K . Upon using the same temperature, Wróbel-Iwaniec et al. [91] reported storage capacities of and at 0.1 MPa and 4 MPa , respectively, using chitosan-based activated carbon. Also, Akasaka et al. [92] recorded an improving storage efficiency from to after decreasing the temperature from 298 K to 77 K using a coffee bean-based carbon material. Such a study confirmed the efficient use of cryogenic temperatures to improve hydrogen storage capacity.

Carbon nanotubes have been explored as potential materials for hydrogen storage due to their unique structure and properties. The hydrogen storage capacity of carbon nanotubes can vary depending on different factors, such as their diameter, length, functionalization, and operating conditions. The hydrogen storage capacity of single-walled carbon nanotubes can be high, theoretically up to 5 to at room temperature [93]. Experimentally achieving this storage capacity has proven challenging due to optimizing nanotube structure, enhancing hydrogen adsorption and desorption kinetics, and ensuring safe and efficient cycling. Thus, using carbon nanotubes is not practically viable for widespread commercial use in on-board transportation applications [94]. The hydrogen storage capacity achieved at room temperature and standard pressure in various carbon nanotube variants falls significantly short of the goal established by the United States Department of Energy for on-board hydrogen storage systems. However, when the temperature is lowered to 77 K , certain carbon nanotube samples do meet or surpass the United States Department of Energy’s target for hydrogen storage.

Certain carbon nanotubes and their hybrid counterparts using metal and oxide nanoparticles can surpass the final objective established by the United States Department of Energy for on-board transportation purposes regarding hydrogen storage capacity. In this regard, Akbarzadeh et al. [95] achieved a hydrogen storage capacity using a nanocomposite of iron-silver/titania/carbon nanotube. Another composite of carbon nanotubes and magnesium hydride catalyzed by a vanadium catalyst was used by Kadri et al. [96] by which they observed a hydrogen storage capacity of in just a minute and a hydrogen release of in 10 min at 473 K and 573 K , respectively. In addition, nitrogen-doped carbon nanotubes were proven to be highly efficient hydrogen storage materials, such as the composite of nitrogen-doped carbon nanotubes mixed with lanthanum oxide that was very recently prepared by Liang et al. [97] and showed a gravimetric capacity of at 373 K and 1.8 MPa . So, it is a fact that various materials are being investigated continually to enhance the storage
capacity of carbon nanotubes.
2.2.2.2. Metal-organic frameworks (MOFs). A class of porous materials made up of metal ions or metal clusters coupled to organic ligands. These materials have a large surface area and adjustable pore diameters. Due to their high porosity and substantial surface area, MOFs have demonstrated a strong potential for storing hydrogen through physisorption. Some MOFs have demonstrated hydrogen capacities exceeding , higher than conventional materials. However, achieving such high capacities at ambient conditions is still challenging while maintaining a reversible storage/release cycle. While MOFs have high gravimetric capacities, their volumetric densities are often lower due to the large void spaces between the porous structures [98]. The slow kinetics of both hydrogen adsorption and desorption and the structural changes or degradation upon repeated cycles of hydrogen uptake and release are also two main issues limiting the applicability of MOFs. Therefore, optimizing the metal-organic linker combination, pore sizes, and understanding the interactions between the MOF structure and hydrogen molecules are still a growing era for researchers to enhance the efficiency of metal-organic frameworks.