Les chercheurs savent depuis longtemps que le cérium est le meilleur élément à utiliser lors de la séparation de l'eau en hydrogène et oxygène, une technique clé dans la création d'hydrogène gazeux pour le carburant. Mais pourquoi, exactement, le cérium est si réussi a été beaucoup moins compris.

Maintenant, une équipe de la Northwestern University dirigée par Chris Wolverton a découvert que l'entropie électronique du cérium, qui est créé lorsqu'un électron passe d'un état à un autre au sein d'une couche électronique, est la raison sous-jacente de son succès. Cette découverte pourrait aider les chercheurs à mieux exploiter l'entropie du cérium pour les technologies de séparation de l'eau.

"Pour que la séparation de l'eau soit suffisamment rapide pour être pratique, vous avez besoin d'une grande quantité d'entropie, " dit Wolverton, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "Il s'avère que le cérium est magique pour l'entropie."

Soutenu par le Département américain de l'énergie, la recherche a été publiée récemment dans Communication Nature . Shahab Naghavi, un stagiaire postdoctoral au Wolverton Research Group, a été le premier auteur de l'article.

Depuis les années 1970, les chercheurs ont vanté le potentiel d'une « économie de l'hydrogène, " dans lequel l'hydrogène remplacerait l'essence pour alimenter le transport terrestre. Une fois brûlé, le seul sous-produit de l'hydrogène est l'eau, le rendant plus écologique et plus économe en énergie que ses alternatives aux combustibles fossiles. Gaz hydrogène pur, cependant, est très rare dans l'atmosphère terrestre.

« Le problème est le suivant :comment obtenez-vous l'hydrogène en premier lieu ? » Wolverton a demandé. "Actuellement, il faut brûler des hydrocarbures, mais cela produit du dioxyde de carbone."

La division de l'eau (ou de la vapeur) pourrait produire proprement et efficacement suffisamment d'hydrogène pur pour faire de l'économie de l'hydrogène une véritable possibilité. Pour séparer l'hydrogène de l'oxygène, les chercheurs utilisent la chaleur générée par le rayonnement solaire et l'oxyde de cérium, ou cérine. Utiliser la lumière du soleil pour chauffer la cérine à 1, 000- à 1, 500 degrés Celsius entraînent une série de réactions qui provoquent la séparation de l'hydrogène.

Wolverton et d'autres savaient auparavant que l'entropie était la clé pour rendre cette réaction possible, mais ils ont été incapables de trouver la source de l'entropie du cérium. "La plupart des gens pensaient que l'entropie était causée par le mélange d'oxygène ou les vibrations de la chaleur, " dit Wolverton. " Mais nous avons découvert que c'est une source différente, et ce n'est pas ce que vous pourriez penser."

Pour que la réaction chimique qui entraîne la séparation de l'eau soit réussie, le cérium dans l'oxyde doit gagner un électron. Et cet électron unique donne lieu à beaucoup d'entropie.

"S'il y a plusieurs endroits pour l'électron, qui donne lieu à l'entropie électronique, " expliqua Wolverton. " L'électron peut passer d'un état à un autre et crée du désordre à l'échelle électronique, et donc, entropie."

La famille d'éléments du cérium, connue sous le nom de terres rares, a naturellement plus d'états électroniques autour desquels l'électron peut se déplacer. L'équipe de Wolverton a calculé l'entropie électronique des 17 terres rares et a découvert que le cérium en démontrait la plus grande quantité.

"Pendant longtemps, nous savons que le cérium est bon pour le fractionnement de l'eau, mais on ne savait pas trop pourquoi, " dit Wolverton. " Maintenant, nous savons en partie pourquoi, et cela ouvre des possibilités pour de futurs travaux."