Micrographies électroniques à transmission d'un composite stable à l'air composé de nanocristaux de magnésium métallique dans une matrice polymère de barrière aux gaz qui permet le stockage à haute densité et la libération rapide d'hydrogène sans avoir besoin de charges lourdes, catalyseurs métalliques coûteux. Crédit :Images du Centre national de microscopie électronique
Depuis les années 1970, l'hydrogène a été présenté comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles en raison de sa combustion propre - contrairement aux combustibles à base d'hydrocarbures, qui crachent des gaz à effet de serre et des polluants nocifs, le seul sous-produit de combustion de l'hydrogène est l'eau. Par rapport à l'essence, l'hydrogène est léger, peut fournir une densité d'énergie plus élevée et est facilement disponible. Mais il y a une raison pour laquelle nous ne vivons pas déjà dans une économie de l'hydrogène :pour remplacer l'essence comme carburant, l'hydrogène doit être stocké de manière sûre et dense, pourtant facilement accessible. Limité par des matériaux incapables de franchir ces obstacles contradictoires, la technologie de stockage de l'hydrogène a pris du retard par rapport aux autres candidats à l'énergie propre.
Dans les années récentes, les chercheurs ont tenté de résoudre les deux problèmes en verrouillant l'hydrogène dans les solides, emballer de plus grandes quantités dans des volumes plus petits avec une faible réactivité - une nécessité pour maintenir ce gaz volatil stable. Cependant, la plupart de ces solides ne peuvent absorber qu'une petite quantité d'hydrogène et nécessitent un chauffage ou un refroidissement extrême pour augmenter leur efficacité énergétique globale.
Maintenant, des scientifiques du département américain de l'Énergie (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont conçu un nouveau matériau composite pour le stockage de l'hydrogène constitué de nanoparticules de magnésium métallique saupoudrées à travers une matrice de polyméthacrylate de méthyle, un polymère apparenté au plexiglas. Ce nanocomposite souple absorbe et libère rapidement de l'hydrogène à des températures modestes sans oxyder le métal après le cyclage - une percée majeure dans la conception de matériaux pour le stockage de l'hydrogène, batteries et piles à combustible.
"Ce travail montre notre capacité à concevoir des matériaux composites à l'échelle nanométrique qui surmontent les barrières thermodynamiques et cinétiques fondamentales pour réaliser une combinaison de matériaux qui a été historiquement très insaisissable, " dit Jeff Urban, Directeur Adjoint de l'Installation Nanostructures Inorganiques à la Fonderie Moléculaire, un centre de nanosciences du DOE Office of Science et une installation nationale pour les utilisateurs situés à Berkeley Lab. "De plus, nous sommes en mesure d'exploiter de manière productive les propriétés uniques du polymère et de la nanoparticule dans ce nouveau matériau composite, qui peuvent avoir une large applicabilité à des problèmes connexes dans d'autres domaines de la recherche énergétique."
Urbain, avec les coauteurs Ki-Joon Jeon et Christian Kisielowski ont utilisé le microscope TEAM 0.5 au National Center for Electron Microscopy (NCEM), une autre installation nationale d'utilisateurs du DOE Office of Science hébergée au Berkeley Lab, pour observer des nanocristaux de magnésium individuels dispersés dans le polymère. Avec les capacités d'imagerie haute résolution de TEAM 0.5, le microscope électronique le plus puissant au monde, les chercheurs ont également pu suivre les défauts - les lacunes atomiques dans un cadre cristallin autrement ordonné - fournissant un aperçu sans précédent du comportement de l'hydrogène au sein de cette nouvelle classe de matériaux de stockage.
Ce schéma montre des nanocristaux de magnésium de grande capacité encapsulés dans une matrice polymère de barrière aux gaz pour créer un nouveau matériau composite révolutionnaire de stockage d'hydrogène. Crédit :Image de Jeff Urban
« La découverte de nouveaux matériaux qui pourraient nous aider à trouver une solution énergétique plus durable est au cœur de la mission du ministère de l'Énergie. Notre laboratoire fournit des expériences exceptionnelles pour soutenir cette mission avec un grand succès, " dit Kisielowski. " Nous avons confirmé la présence d'hydrogène dans ce matériau grâce à des investigations spectroscopiques en fonction du temps avec le microscope TEAM 0.5. Cette enquête suggère que même l'imagerie directe des colonnes d'hydrogène dans de tels matériaux peut être tentée à l'aide du microscope TEAM. »
"La nature unique de Berkeley Lab encourage les collaborations inter-divisions sans aucune limitation, " dit Jeon, maintenant à l'Institut national des sciences et de la technologie d'Ulsan, dont le travail postdoctoral avec Urban a conduit à cette publication.
Pour étudier l'absorption et la libération d'hydrogène dans leur matériau nanocomposite, l'équipe s'est tournée vers la division des technologies énergétiques et environnementales (EETD) de Berkeley Lab, dont la recherche vise à développer des technologies plus respectueuses de l'environnement pour produire et stocker de l'énergie, y compris le stockage d'hydrogène.
"Ici à EETD, nous avons travaillé en étroite collaboration avec l'industrie pour maintenir une installation de stockage d'hydrogène ainsi que pour développer des protocoles de test des propriétés de stockage d'hydrogène, " dit Samuel Mao, directeur du Clean Energy Laboratory du Berkeley Lab et membre adjoint de la faculté d'ingénierie de l'Université de Californie (UC), Berkeley. "Nous apprécions beaucoup cette collaboration avec Jeff et son équipe de la Division Sciences des Matériaux, où ils ont développé et synthétisé ce nouveau matériau, et ont ensuite pu utiliser notre installation pour leurs recherches sur le stockage de l'hydrogène. »
Ajoute Urbain, "Cette science ambitieuse est particulièrement bien placée pour être poursuivie dans le cadre de la forte éthique de collaboration ici à Berkeley Lab. Les succès que nous obtenons dépendent essentiellement des liens étroits entre la microscopie de pointe au NCEM, les outils et l'expertise de l'EETD, et le savoir-faire en caractérisation et matériaux de MSD."
