L'hydrogène en tant que source d'énergie sans carbone pourrait s'étendre à divers secteurs, y compris les procédés industriels, la chaleur du bâtiment et le transport. Actuellement, il alimente une flotte croissante de véhicules zéro émission, y compris les trains en Allemagne, bus en Corée du Sud, voitures en Californie et chariots élévateurs dans le monde entier. Ces véhicules utilisent une pile à combustible pour combiner les gaz hydrogène et oxygène, produire de l'électricité qui alimente un moteur. La vapeur d'eau est leur seule émission.

Pour que l'hydrogène continue de croître et de changer les secteurs de l'économie, de nouvelles infrastructures sont nécessaires. Les voitures à hydrogène stockent de l'hydrogène à bord à une pression 700 fois supérieure à la pression atmosphérique pour rouler aussi loin que les véhicules à essence conventionnels. Si cette technologie a permis de commercialiser des voitures à hydrogène, il ne peut pas atteindre les objectifs ambitieux de densité énergétique fixés par le département américain de l'Énergie.

Avec le soutien du bureau des technologies des piles à combustible du bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, le Consortium de recherche avancée sur les matériaux hydrogène (HyMARC), une collaboration multilab, développe deux types de matériaux de stockage d'hydrogène pour atteindre ces objectifs fédéraux. Dans la première phase de ses travaux, le groupe a identifié des stratégies et effectué des recherches fondamentales pour augmenter la capacité de stockage des charpentes métallo-organiques et augmenter l'efficacité de stockage des hydrures métalliques.

Maintenant, la collaboration nouvellement élargie utilise les stratégies les plus prometteuses pour optimiser les matériaux pour une utilisation future dans les véhicules, offrant potentiellement des systèmes de stockage embarqués plus compacts, des pressions de fonctionnement réduites et des économies de coûts importantes.

"Ces avantages pourraient aider à mettre plus de véhicules à pile à combustible sur la route en permettant une expérience de conduite similaire à celle des véhicules conventionnels, " a déclaré Mark Allendorf, chercheur au Sandia National Laboratories et co-directeur du consortium HyMARC.

Le consortium explore maintenant des moyens de retirer l'hydrogène de manière réversible des molécules, comme l'éthanol. Ces transporteurs d'hydrogène moléculaire seraient plus faciles à transporter vers les stations-service que l'hydrogène gazeux, augmenter l'efficacité de la livraison de carburant et réduire le coût des véhicules à hydrogène ainsi que d'autres applications. Les percées dans les matériaux avancés de stockage d'hydrogène issus de HyMARC soutiendront également l'initiative H2@Scale du DOE pour permettre une production d'hydrogène à grande échelle abordable, espace de rangement, transport et utilisation dans de multiples secteurs.

Le consortium continue

Depuis 2015, chercheurs de Sandia, Les laboratoires nationaux Lawrence Berkeley et Lawrence Livermore se sont concentrés sur deux principaux types de matériaux de stockage d'hydrogène pour apprendre comment leur forme, la structure et la composition chimique affectent leurs performances. Le consortium HyMARC a ajouté des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory, Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique, Laboratoire national des accélérateurs SLAC et Institut national des normes et de la technologie.

Le groupe élargi a récemment reçu un deuxième cycle de financement du DOE Energy Efficiency and Renewable Energy Office pour résoudre les problèmes de performance qui empêchent les matériaux les plus prometteurs d'atteindre les objectifs fédéraux de stockage d'hydrogène. Pour faire ça, les chercheurs ont identifié les défis les plus pertinents qui ralentissent le rythme de l'innovation des matériaux de stockage d'hydrogène. Ils développent ensuite des outils pour relever ces défis, y compris des moyens fiables de fabriquer les matériaux, de nouveaux modèles informatiques pour prédire les propriétés des matériaux qui influencent leurs performances de stockage et de nouvelles méthodes de mesure pour tenir compte de la réactivité élevée de certains matériaux avec l'humidité et l'oxygène. "HyMARC met ces outils à disposition d'autres laboratoires qui les appliquent à des matériaux spécifiques, " Allendorf a déclaré. "Nous collaborons également avec eux pour faciliter leurs recherches."

Température d'apprivoisement

La première classe de matériaux d'intérêt pour HyMARC est appelée sorbants. Ces matériaux ont de minuscules pores qui agissent comme des éponges pour adsorber et retenir l'hydrogène gazeux sur leurs surfaces. Ces pores créent un matériau de grande surface, et donc de l'espace de stockage. Un gramme de matière peut avoir autant de surface qu'un terrain de football entier.

Cela conduit à un effet pratique inattendu :les matériaux poreux peuvent théoriquement contenir plus d'hydrogène qu'un réservoir de carburant à haute pression, dit Vitalie Stavila, un chimiste de Sandia. Pourtant, parce que l'hydrogène gazeux interagit faiblement avec les parois des pores, une grande partie de cet espace de stockage n'est pas utilisée. Ces matériaux fonctionnent mieux à des températures cryogéniques trop basses pour une utilisation pratique.

Les sorbants les plus performants sont des matériaux appelés charpentes métallo-organiques, ou MOF. Dans ces matériaux, des linkers rigides fabriqués à partir d'atomes de carbone relient des ions métalliques individuels comme les barres dans une salle de gym dans la jungle. Pour augmenter la quantité d'hydrogène stocké dans les matériaux, le consortium recommande d'ajouter des éléments captant l'hydrogène comme le bore ou l'azote dans les lieurs carbonés qui forment les parois des pores.

Les membres de l'équipe ont également développé des MOF dans lesquels plus d'une molécule d'hydrogène peut adhérer à un ion métallique dans la charpente. Avec une capacité de stockage accrue, ces matériaux interagissent plus fortement avec l'hydrogène. Pratiquement, cela signifie que le gaz adhère aux parois des pores à des températures plus élevées.

Les nanostructures augmentent l'efficacité du stockage

La deuxième classe de matériaux de stockage d'hydrogène prometteurs est celle des hydrures métalliques, un matériau que les chercheurs de Sandia fabriquent depuis des décennies. Dans ces matériaux, les ions métalliques retiennent l'hydrogène avec des liaisons chimiques. La rupture de ces liaisons permet à l'hydrogène gazeux d'être libéré pour être utilisé dans une pile à combustible.

Cependant, ces matériaux forment des liaisons fortes avec l'hydrogène, et de l'énergie est nécessaire pour libérer le gaz stocké. Réduire la taille des particules d'hydrure des grains macroscopiques aux nanoclusters plus de dix mille fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain rend le matériau beaucoup plus réactif, lui permettant de libérer de l'hydrogène à des températures plus basses. Stavila et ses collègues utilisent des matériaux poreux, tel qu'un MOF ou du carbone poreux, comme modèles pour contrôler la taille des clusters et les empêcher de se regrouper.

"Nous avons appris au cours de la première phase d'HyMARC que la fabrication d'hydrures métalliques nanostructurés nous permet d'ajuster la force des liaisons formées avec l'hydrogène et de modifier la vitesse à laquelle l'hydrogène se fixe et quitte la surface, " a déclaré Stavila. "Cela signifie que moins d'énergie est nécessaire pour libérer le gaz."

Les chercheurs testent les hydrures à l'échelle nanométrique pour les caractéristiques, telles que la réversibilité du stockage et la capacité de stockage utilisable, qui sont importants pour les applications futures. « Nous sommes convaincus que les hydrures à l'échelle nanométrique peuvent être des matériaux de stockage pratiques, " dit Stavila.

Le groupe utilise également une technique informatique appelée apprentissage automatique pour identifier rapidement les propriétés physiques de ces matériaux de stockage qui sont en corrélation avec les performances nécessaires pour atteindre les objectifs fédéraux. Leur approche leur permet de comprendre comment l'ordinateur a identifié ses prédictions. « Nous générons des connaissances scientifiques pour créer une nouvelle intuition du comportement de ces matériaux, ", a déclaré Allendorf.

« Identifier les matériaux de stockage de l'hydrogène qui peuvent répondre à tous les objectifs du DOE est une étape essentielle vers la transition vers une future économie de l'hydrogène, " il a dit.

Pour les véhicules à hydrogène, atteindre ces objectifs pour les matériaux de stockage signifie que ces véhicules pourraient avoir des autonomies, des temps de ravitaillement et des coûts de carburant similaires à ceux des véhicules conventionnels.

« Bien que les défis techniques soient grands, " Allendorf a dit, "L'équipe HyMARC est très motivée par l'importance de son rôle et par ses récentes découvertes qui ouvrent la voie à des matériaux performants."