Hydrogène (H₂ ) est actuellement considéré comme un vecteur énergétique idéal des énergies renouvelables. L'hydrogène a la densité d'énergie gravimétrique la plus élevée de tous les carburants chimiques (141 MJ/kg), soit trois fois plus que l'essence (46 MJ/kg). Cependant, sa faible densité volumétrique limite son utilisation généralisée dans les applications de transport, car les options de stockage actuelles nécessitent beaucoup d'espace.

A température ambiante, l'hydrogène est un gaz, et un kilogramme d'hydrogène occupe un volume de 12 000 litres (12 mètres cubes). Dans les véhicules à pile à combustible, l'hydrogène est stocké sous une très haute pression de 700 fois la pression atmosphérique, ce qui réduit le volume à 25 litres par kilogramme de H₂ . L'hydrogène liquide présente une densité plus élevée, soit 14 litres par kilogramme, mais il nécessite des températures extrêmement basses puisque le point d'ébullition de l'hydrogène est de moins 253 °C.

Aujourd'hui, une équipe de scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, de la Technische Universität Dresden, de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg et du Laboratoire national d'Oak Ridge a démontré que l'hydrogène se condense sur une surface à très basse température près de l'H ₂ point d'ébullition, formant une monocouche super dense dépassant la densité de l'hydrogène liquide d'un facteur de près de trois, ce qui réduit le volume à seulement 5 litres par kilogramme H₂ .

Le résultat surprenant était que deux fois plus de H₂ plus de molécules que d'atomes du gaz noble argon recouvraient la surface, même si les deux ont à peu près la même taille. Pour doubler le nombre de molécules par zone, H₂ les molécules se serrent étroitement les unes contre les autres, formant une couche super dense.

L'étude de R. Balderas-Xicohténcatl et al. impliquait des expériences de cryo-adsorption à haute résolution sur de la silice mésoporeuse hautement ordonnée présentant des caractéristiques de pores et de surface bien définies pour déterminer le nombre de molécules condensées à la surface du matériau.

La diffusion inélastique des neutrons est un outil idéal pour suivre la formation de cette couche d'hydrogène bidimensionnelle. Pour la première fois, l'existence de cet hydrogène super dense a été confirmée in situ. Cette observation directe n'a été possible qu'en utilisant le spectromètre vibrationnel à neutrons haute résolution VISION, qui présente un taux de comptage inélastique plus de 100 fois supérieur à tout spectromètre similaire disponible.

Des études théoriques confirment les observations expérimentales de la densité d'hydrogène anormalement élevée dans la couche adsorbée. Les forces d'attraction à la surface étaient plus fortes que la répulsion entre deux molécules d'hydrogène, ce qui a entraîné un empilement d'hydrogène super dense sur la surface de silice mésoporeuse. La très haute densité est une conséquence de la haute compressibilité de l'hydrogène, qui n'a pas d'électrons de noyau.

La formation de la couche d'hydrogène super dense à basse température près du point d'ébullition est d'un intérêt fondamental. Il devrait être considéré pour l'analyse quantitative de H₂ isothermes d'adsorption à 20 K. Cela pourrait également ouvrir de nouvelles possibilités d'amélioration de la capacité volumétrique des systèmes de stockage d'hydrogène cryogénique pour de nombreuses applications dans une future économie de l'hydrogène.

La recherche a été publiée dans Nature Chemistry . + Explorer plus loin

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