Devenir petit et mince pour un meilleur stockage de l’hydrogène

Une collaboration comprenant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), des Sandia National Laboratories, de l’Indian Institute of Technology Gandhinagar et du Lawrence Berkeley National Laboratory a créé des nanofeuilles ultrafines de 3 à 4 nanomètres d’un hydrure métallique qui augmentent la capacité de stockage d’hydrogène. La recherche paraît dans la revue Petit.

Il existe un besoin de technologies de stockage d’énergie durable qui peuvent répondre à la nature intermittente des ressources énergétiques renouvelables. Les technologies basées sur l’hydrogène sont des solutions prometteuses à long terme qui réduisent les émissions de gaz à effet de serre.

L’hydrogène a la densité énergétique la plus élevée de tous les carburants et est considéré comme une solution viable pour le transport terrestre, les avions et les navires. Cependant, les sources de carburant à base d’hydrocarbures surpassent l’hydrogène gazeux comprimé en termes de densité d’énergie volumétrique, motivant le développement de méthodes de stockage alternatives basées sur des matériaux à plus haute densité.

Les hydrures métalliques complexes sont une classe de matériaux de stockage d’hydrogène qui, tout en ayant une capacité de stockage absolue élevée, peuvent nécessiter des pressions et des températures extrêmes pour atteindre cette capacité. L’équipe a relevé ce défi en utilisant le nano-dimensionnement, qui augmente la surface pour réagir avec l’hydrogène et diminue la profondeur d’hydrogénation requise. Des études antérieures ont analysé le diborure de magnésium à l’échelle nanométrique (MgB₂), y compris les travaux de LLNL, cependant, le matériel de cette étude n’était pas aussi mince et finissait par se regrouper.

Le matériau créé dans cette collaboration la plus récente est issu d’une exfoliation mécanique sans solvant dans la zircone, produisant un matériau qui n’a que 11 à 12 couches atomiques d’épaisseur et peut s’hydrogéner jusqu’à environ 50 fois la capacité du matériau en vrac.

Cette augmentation de 50 fois de l’hydrogénation correspond parfaitement à une augmentation de 50 fois du rapport surface / volume, ce qui suggère que le matériau en vrac et en nanofeuilles hydrogénent approximativement les deux premières couches, un comportement universel indépendant de la taille des particules. Pour deux couches de part et d’autre du nanomatériau 11-12 couches, cela représente un tiers de la capacité maximale en hydrogène du MgB₂.

MgB₂ consiste en une alternance de couches de magnésium et de bore pour lesquelles le transfert de charge de la couche de magnésium à la couche de bore détermine la stabilité de la couche de bore. Les calculs LLNL révèlent que la couverture incomplète de Mg à la surface du matériau favorise énergétiquement une structure de surface avec des îlots de couverture complète de magnésium et d’autres zones de couches de bore de surface désordonnées moins stables. S’appuyant sur des travaux antérieurs sur le désordre des couches de bore de surface, les calculs montrent comment la couverture en magnésium sur MgB₂ évolue en s’hydrogénant.

“Ces résultats montrent comment un MgB réactif₂ surface avec du bore exposé peut devenir plus stable à mesure qu’elle s’hydrogéne parce que la couverture en magnésium augmente », a déclaré le physicien et auteur du LLNL, Keith Ray. « Par ce mécanisme, l’hydrogénation ralentit et s’arrête dans des conditions d’hydrogénation modérées.

“Un nano-dimensionnement supplémentaire ou une nouvelle modification chimique pour retarder ou perturber l’augmentation du magnésium de surface peut encore augmenter le MgB₂ performances en tant que matériau de stockage de l’hydrogène », a-t-il ajouté.