Les matériaux qui absorbent l'hydrogène sont utilisés pour le stockage et la purification de l'hydrogène, servant ainsi de vecteurs d'énergie propre. L'absorbeur d'hydrogène le plus connu, palladium, peut être amélioré en l'alliant avec de l'or.

Une nouvelle recherche menée par l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo explique pour la première fois comment l'or fait une telle différence, ce qui sera précieux pour affiner de nouvelles améliorations.

La première étape du stockage d'hydrogène est la chimisorption, dans lequel le H2 gazeux entre en collision avec le palladium et s'adsorbe (colle) à la surface. Deuxièmement, les atomes H chimisorbés diffusent dans le sous-sol, plusieurs nanomètres de profondeur. Un article récent publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) rapporte que le groupe s'est concentré sur cette lente deuxième étape, qui est le goulot d'étranglement du processus global.

En palladium pur, seulement environ 1 sur 1, 000 des molécules H2 qui entrent en collision avec le métal sont en fait absorbées à l'intérieur. D'où, seuls ceux-ci peuvent être stockés comme vecteurs d'énergie. Cependant, lorsque la surface du palladium est alliée à l'or, l'absorption est plus de 40 fois plus rapide.

Il est essentiel d'obtenir la bonne quantité d'or - l'absorption d'hydrogène est maximisée lorsque le nombre d'atomes d'or est légèrement inférieur à la moitié (0,4) d'une seule monocouche de palladium, selon l'étude. Ceci a été découvert par spectroscopie de désorption thermique, et par mesure de la profondeur des atomes H à l'aide d'émissions de rayons gamma.

"Nous voulions savoir quel rôle joue l'or, " étude premier auteur Kazuhiro Namba dit. " Les atomes d'or sont principalement à la surface de l'alliage. Cependant, nos résultats ont montré que le stockage de l'hydrogène est amélioré même en dessous de cette profondeur, en palladium pur. Par conséquent, l'or doit accélérer la diffusion de l'hydrogène dans le sous-sol, plutôt que d'améliorer sa solubilité."

Cette diffusion agit comme une réaction chimique typique - sa vitesse est déterminée par la barrière énergétique, c'est-à-dire l'obstacle que les atomes H doivent surmonter pour pénétrer le palladium. La hauteur de barrière est l'écart entre les énergies des atomes H chimisorbés et l'état de transition qu'ils doivent traverser pour atteindre le premier site souterrain.

Selon les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), les atomes d'or déstabilisent l'hydrogène chimisorbé, augmentant ainsi leur énergie et réduisant la barrière. En faisant de la surface un environnement moins stable pour les atomes H, cela les encourage à pénétrer plus rapidement dans des sites plus profonds, au lieu de s'attarder à la surface. La spectroscopie de photoémission suggère que les atomes d'or poussent l'énergie des électrons du palladium vers le bas, affaiblissant leur capacité à chimisorber l'hydrogène.

Cependant, les atomes H faiblement chimisorbés sont également plus susceptibles de se désorber simplement de la surface; c'est à dire., retour à la phase gazeuse. Ce processus indésirable explique pourquoi le stockage d'hydrogène est maximisé avec seulement 0,4 monocouche d'or - si plus d'or est ajouté, la désorption de l'hydrogène dépasse sa diffusion dans le palladium.

"Notre étude révèle, au niveau électronique, comment l'alliage d'or contrôle l'absorption d'hydrogène, ", a déclaré le co-auteur Shohei Ogura. "Cela nous aidera à concevoir de meilleurs matériaux de stockage d'hydrogène, qui jouera un rôle dans le transport d'énergie neutre en carbone, ainsi que des catalyseurs solides pour les réactions chimiques, qui dépendent souvent de l'hydrogène lié à la surface."