Il est facile d’être optimiste quant à l’hydrogène comme carburant idéal. Il est bien plus difficile de trouver une solution à un problème absolument fondamental :comment stocker efficacement ce carburant ? Une équipe suisse-polonaise de physiciens expérimentaux et théoriciens a trouvé la réponse à la question de savoir pourquoi les précédentes tentatives d'utilisation de l'hydrure de magnésium prometteur à cette fin se sont révélées insatisfaisantes et pourquoi elles pourraient réussir à l'avenir.

L’hydrogène est depuis longtemps considéré comme le vecteur énergétique du futur. Cependant, avant que cela ne devienne une réalité dans le secteur de l’énergie, des méthodes efficaces de stockage doivent être développées. Les matériaux, sélectionnés de telle manière qu'à faible coût énergétique, de l'hydrogène puisse d'abord y être injecté puis récupéré à la demande, de préférence dans des conditions similaires à celles typiques de notre environnement quotidien, semblent être la solution optimale.

Un candidat prometteur pour le stockage de l’hydrogène semble être le magnésium. Sa conversion en hydrure de magnésium nécessite cependant un catalyseur suffisamment efficace, qui n'a pas encore été trouvé.

Le travail d'une équipe de scientifiques de l'Empa – des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux à Dübendorf, du Département de chimie de l'Université de Zurich et de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, a montré que la raison des nombreuses années d'échec jusqu'à présent réside dans une compréhension incomplète des phénomènes qui se produisent dans le magnésium lors de l'injection d'hydrogène.

Le principal obstacle à l’adoption de l’hydrogène comme source d’énergie est la difficulté de son stockage. Dans les rares voitures à hydrogène, il est stocké comprimé à une pression d’environ 700 atmosphères. Ce n’est ni la méthode la moins chère ni la plus sûre, et cela n’a pas grand chose à voir avec l’efficacité :il n’y a que 45 kg d’hydrogène dans un mètre cube. Le même volume peut contenir 70 kg d'hydrogène, s'il est préalablement condensé.

Malheureusement, le processus de liquéfaction nécessite de grandes quantités d’énergie et la température extrêmement basse, autour de 20 Kelvin, doit alors être maintenue tout au long du stockage. Une alternative pourrait être des matériaux appropriés; par exemple, l'hydrure de magnésium, qui peut contenir jusqu'à 106 kg d'hydrogène par mètre cube.

L'hydrure de magnésium fait partie des matériaux les plus simples testés pour la capacité de stockage de l'hydrogène. Sa teneur peut atteindre 7,6% (en poids). Les appareils à hydrure de magnésium sont donc assez lourds et conviennent donc principalement aux applications stationnaires. Cependant, il est important de noter que l’hydrure de magnésium est une substance très sûre et peut être stockée sans risque; par exemple, dans un sous-sol, et le magnésium lui-même est un métal facilement disponible et bon marché.

"La recherche sur l'incorporation de l'hydrogène dans le magnésium dure depuis des décennies, mais elle n'a pas abouti à des solutions pouvant compter sur une utilisation plus large", déclare le professeur Zbigniew Lodziana (FIJ PAN), physicien théoricien et co-auteur d'un ouvrage sur l'incorporation de l'hydrogène dans le magnésium. article dans Advanced Science, où la dernière découverte est présentée.

"L'une des sources de problèmes est l'hydrogène lui-même. Cet élément peut pénétrer efficacement dans la structure cristalline du magnésium, mais seulement lorsqu'il est présent sous forme d'atomes uniques. Pour l'obtenir à partir de l'hydrogène moléculaire typique, il faut un catalyseur suffisamment efficace pour rendre le processus de Une migration de l'hydrogène dans le matériau est nécessaire, rapide et énergétiquement viable. Tout le monde a donc cherché un catalyseur qui remplisse les conditions ci-dessus, malheureusement sans grand succès. Aujourd'hui, nous savons enfin pourquoi ces tentatives étaient vouées à l'échec."

Le professeur Lodziana a développé un nouveau modèle des processus thermodynamiques et électroniques se produisant dans le magnésium en contact avec des atomes d'hydrogène. Le modèle prédit que lors de la migration des atomes d’hydrogène, des amas locaux d’hydrure de magnésium thermodynamiquement stables se forment dans le matériau. Aux frontières entre le magnésium métallique et son hydrure, se produisent alors des modifications dans la structure électronique du matériau, et ce sont celles-ci qui jouent un rôle important dans la réduction de la mobilité des ions hydrogène.

En d’autres termes, la cinétique de formation de l’hydrure de magnésium est principalement déterminée par des phénomènes à son interface avec le magnésium. Cet effet n'avait jusqu'à présent pas été pris en compte dans la recherche de catalyseurs efficaces.

Les travaux théoriques du professeur Lodziana complètent les expériences réalisées dans le laboratoire suisse de Dübendorf. Ici, la migration de l’hydrogène atomique dans une couche de magnésium pur pulvérisée sur du palladium a été étudiée dans une chambre à ultra-vide. L'appareil de mesure était capable d'enregistrer les changements dans l'état de plusieurs couches atomiques externes de l'échantillon étudié, provoqués par la formation d'un nouveau composé chimique et les transformations associées de la structure électronique du matériau. Le modèle proposé par les chercheurs de l'IFJ PAN permet de bien comprendre les résultats expérimentaux.

Les réalisations du groupe de physiciens suisse-polonais ouvrent non seulement la voie à une nouvelle recherche d'un catalyseur optimal pour l'hydrure de magnésium, mais expliquent également pourquoi certains des catalyseurs trouvés précédemment ont montré une efficacité plus élevée que prévu.

"De nombreuses raisons suggèrent que l'absence de progrès significatifs dans le stockage de l'hydrogène dans le magnésium et ses composés était simplement due à notre compréhension incomplète des processus impliqués dans le transport de l'hydrogène dans ces matériaux. Depuis des décennies, nous recherchons tous de meilleurs catalyseurs, mais pas là où nous devrions regarder. Aujourd'hui, de nouveaux résultats théoriques et expérimentaux permettent de réfléchir à nouveau avec optimisme aux améliorations futures des méthodes d'introduction de l'hydrogène dans le magnésium", conclut le professeur Lodziana.

Plus d'informations : Selim Kazaz et al, Pourquoi les catalyseurs de dissociation de l'hydrogène ne fonctionnent pas pour l'hydrogénation du magnésium, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202304603

Informations sur le journal : Science avancée

Fourni par l'Académie polonaise des sciences