Vätelagringsmaterial för energitillämpningar Hydrogen storage materials for energy applications Present proposal is aimed at studying the interaction of hydrogen with novel materials having multiple length scales such as clusters, nano-particles, nano-tubes and crystalline bulk. The materials include light metal hydrides such as alkali-alanates and boro-hydrides and cage and tubular structures of boron nitride. This proposal is aimed at providing this fundamental understanding by carrying out first principles calculations based on density functional theory. We seek answers to the following questions: (1) What is the preferential site of hydrogen? (2) Does hydrogen bind atomically or molecularly? What is the nature of hydrogen bonding - ionic, covalent, metallic, or weak van der Waals? (3) What roles do surface morphology and defects play in hydrogen absorption and desorption? (5) In what way is it beneficial to store hydrogen in nanostructured and porous materials? (6) How do catalysts help in improving the thermodynamics of hydrogen absorption and desorption? The broader impact of this research and the benefits of the international collaboration are many fold: (1) Graduate students and post doctoral fellows will be trained in state-of-the- art techniques in modeling materials behavior over diverse length scales. (2) By combining the expertise and resources of the principal investigators in India and Sweden, more could be achieved with less. (3) These topics of research have national importance as they address the critical issues for a new hydrogen economy. Vår energihungriga värld blir allt mer beroende av nya metoder att utvinna, lagra och omvandla energi på ett miljövänligt sätt. I dagens mobila samhälle använder vi portabla elektroniska applikationer, transport av människor och varor ökar ständigt. Därför är det viktigt att utveckla säkra, ekonomiska och miljövänliga energikällor. Att lagra energi i form av väte skulle vare ett idealiskt syntetiskt bränsle. Väte är det tredje vanligaste ämnet på jorden och är det kemiska bränsle som har högst energiinnehåll per massenhet. Förbränning av väte är miljövänligt eftersom den enda biprodukt som bildas är vatten. Det finns dock problem med lagringen av väte som måste lösas. Att lagra väte i form av gas kräver väldigt högt tryck och medför tunga behållare och stora säkerhetsrisker. Om vätet kyls ner till låga temperaturer kan det lagras i vätskeform, men detta medför stora kostnader samt kräver tung utrustning. Ett tredje alternativ är att lagra vätet inuti fasta material. I dagens läge finns såkallade metallhydrider som kan lagra stora mängder väte per volymenhet. Säkerhetsaspekten hos dessa material är också mycket bra. Dock är väteinnehållet per viktenhet ännu för lågt. För att kunna höja väteinnehållet per viktenhet måste vikten hos metallerna som vätet binds i sänkas. Därför är element som Li, B, N, C, Na och Mg intressant som material att lagra väte i. Tyvärr binder dessa material vätet med starka kovalenta bindningar eller jonbindningar vilket gör att temperaturerna som behövs för att frigöra vätet är höga. För att kunna förbättra egenskaperna hos dessa material, krävs ökad förståelse av bindningarna mellan väte och dessa lättmetaller samt på vilket sätt bindningsegenskaperna kan förändras. Egenskaperna kan förändras genom olika defekter eller dopning. Strukturen hos materialen spelar även en vikig roll när ett materials egenskaper bestäms. Material kan uppvisa förändringar i egenskaper beroende på ifall det är i form av t.ex. ett fast material, ytor eller små partiklar. I nanostrukturmaterial, som t.ex. nanotuber, är inte problemet som hos metallhydriderna att vätet binds för starkt utan istället binds vätet för svagt. Detta gör att det krävs låga temperaturer för att materialet skall kunna behålla vätet. I de här fallet behövs istället hittas sätt att förändra egenskaperna hos materialen för att höja temperaturen vid vilken vätet kan lagras. För att finna ett praktiskt användbart material för vätelagring krävs kunskap om egenskaperna av bindningarna mellan väte och olika material. De kinematiska och termodynamiska egenskaperna är mycket viktiga för ett praktiskt användbart vätelagringsmaterial. Elektronstrukturberäkningar och molekyldynamiksimuleringar är två billiga verktyg med vilka bindningsegenskaper, kinematiska egenskaper, termodynamiska egenskaper samt effekter av dopning och defekter hos olika material kan undersökas. Dessa teoretiska redskap kan ge ökad förståelse om strukturen och processerna bakom absorption, lagring och desorption av väte i fasta material samt hur egenskaperna i dessa material kan förändras. Experimentella efterforskningar för att finna material som på ett effektivt sätt kan härbärgera väte är mycket tidskrävande och dyrt. Teoretisk forskning däremot skulle kunna spara både tid och pengar.