Les scientifiques du Rensselaer Polytechnic Institute travaillent à l'optimisation d'un nouveau nanomatériau prometteur appelé nanolames pour une utilisation dans le stockage de l'hydrogène. Au cours de leur test du nouveau matériau, ils ont découvert qu'il peut stocker et libérer de l'hydrogène extrêmement rapidement et à basse température par rapport à des matériaux similaires. Un autre aspect important du nouveau matériau est qu'il est également rechargeable. Ces attributs pourraient le rendre idéal pour une utilisation dans le stockage d'hydrogène à bord pour les véhicules à hydrogène ou à pile à combustible de nouvelle génération.

Les résultats sur les performances des nanolames sont publiés dans l'édition de septembre 2011 de Le Journal International de l'Énergie Hydrogène dans un article intitulé «Cycle à basse température de l'hydrogénation-déshydrogénation des nanolames de magnésium décorées au Pd.» La recherche est parrainée par la National Science Foundation.

Les scientifiques ont créé les nanolames à base de magnésium pour la première fois en 2007. Contrairement aux nanoressorts et tiges tridimensionnels, les nanolames sont asymétriques. Ils sont extrêmement fins dans une dimension et larges dans une autre dimension, créant de très grandes surfaces. Ils sont également étalés jusqu'à un micron entre chaque lame.

Pour stocker l'hydrogène, une grande surface avec un espace entre les nanostructures est nécessaire pour permettre au matériau de se dilater à mesure que davantage d'atomes d'hydrogène sont stockés. La vaste surface et le profil ultrafin de chaque nanolame, couplé avec les espaces entre chaque lame, pourraient les rendre idéales pour cette application, selon Gwo-Ching Wang, professeur de physique, Physique appliquée, et l'astronomie à Rensselaer.

Pour créer les nanolames, les chercheurs utilisent le dépôt en phase vapeur à angle oblique. Cette technique de fabrication construit des nanostructures en vaporisant un matériau - du magnésium dans ce cas - et en permettant aux atomes vaporisés de se déposer sur une surface à un angle oblique. Le matériau fini est ensuite décoré avec un catalyseur métallique pour piéger et stocker l'hydrogène. Pour cette recherche, les nanolames ont été recouvertes de palladium.

Dans leur plus récent article, les chercheurs rendent compte de leurs tests sur les performances des nanolames. Comprendre comment le matériau réagit à l'hydrogène au fil du temps est essentiel pour améliorer le matériau en vue d'une utilisation future dans les véhicules à hydrogène, selon le chercheur postdoctoral et auteur principal du nouvel article Yu Liu.

« Les exigences du ministère de l'Énergie sont très exigeantes pour la technologie de stockage d'hydrogène existante, notamment en ce qui concerne les nouveaux matériaux de stockage d'énergie pour le stockage embarqué de l'hydrogène, ", a déclaré Liu. « Tous les nouveaux matériaux doivent fonctionner à basse température, désorber l'hydrogène rapidement, être rentable, et être recyclable.

Leur travail avec les nanolames est déjà prometteur dans tous ces domaines, selon Wang et Liu.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que les nanolames ont commencé à libérer de l'hydrogène à 340 degrés K (environ 67 degrés Celsius). Lorsque la température a été légèrement augmentée à 373 K (100 degrés C), l'hydrogène stocké dans les nanolames a été libéré en seulement 20 minutes. De nombreux autres matériaux nécessitent plus du double de cette température pour fonctionner à ce rythme, selon Liu.

Ils ont également constaté que les nanolames sont recyclables. Cela signifie qu'ils peuvent être rechargés après la libération d'hydrogène et utilisés encore et encore. Une telle réutilisabilité est essentielle pour les applications pratiques.

En utilisant une technique appelée diffraction électronique à haute énergie par réflexion (RHEED) et désorption programmée en température (TPD) - qui sont équipées d'un système intégré à ultravide avec une combinaison d'une cellule de réaction à haute pression et d'une chambre de dépôt de couche mince - ils ont trouvé que les nanolames actuelles peuvent subir plus de 10 cycles d'absorption et de libération d'hydrogène.

La technique RHEED est différente des autres procédés, comme la diffraction des rayons X, car il surveille la structure proche de la surface, phase, et la taille des grains du matériau au fur et à mesure qu'il change. Le suivi de l'évolution de la surface du matériau donne un aperçu de l'évolution de la structure au fil du temps.

En utilisant RHEED, ils ont découvert qu'avec le temps, le catalyseur s'empoisonne et que le magnésium réagit avec l'oxygène. Cela provoque l'oxydation, qui dégrade finalement le matériau provoquant des changements morphologiques et chimiques du matériau.

Ils vont maintenant travailler pour optimiser le matériau avec différents catalyseurs et revêtements protecteurs polymères pour améliorer les performances et augmenter le nombre de cycles que le matériau peut subir sans dégradation.

« Les prochaines étapes consistent à améliorer la recyclabilité, ", a déclaré Wang. « Nous avons trouvé la cause profonde de la dégradation du matériau; maintenant nous pouvons commencer à améliorer le matériel.