(Phys.org)—L'hydrogène est le carburant idéal pour les nouveaux types de véhicules à pile à combustible, mais un problème est de savoir comment stocker l'hydrogène. Dans sa thèse de doctorat, Serhiy Luzan étudie de nouveaux types de matériaux pour le stockage de l'hydrogène. Il montre également que de nouveaux matériaux aux propriétés intéressantes peuvent être synthétisés par réaction de l'hydrogène avec des matériaux nanostructurés en carbone.

Les nouveaux moteurs de voitures fonctionnant à l'hydrogène ne produisent que de l'eau comme gaz d'échappement et sont trois à quatre fois plus efficaces que les moteurs à combustion interne ordinaires. Un seul "petit" problème freine le développement des véhicules à hydrogène :il n'existe pas de bonne méthode pour stocker des quantités suffisantes d'hydrogène, car c'est un gaz de très faible densité.

Serhiy Luzan consacre la première partie de sa thèse aux études du stockage de l'hydrogène dans de nouveaux types de matériaux passionnants :les charpentes métallo-organiques (MOF). Ils sont constitués de clusters métalliques à base de zinc et de cobalt reliés entre eux par des linkers organiques, et ils sont extrêmement poreux. Un gramme de MOF a une surface absorbant l'hydrogène qui est plus grande qu'un terrain de football ! Des dizaines de nouveaux matériaux MOF sont synthétisés chaque année, ce qui est très prometteur pour la prochaine génération de matériaux de stockage d'hydrogène.

Serhiy a étudié l'absorption d'hydrogène de plusieurs nouveaux MOF et a recherché les effets de différentes surfaces, volumes de pores, et les formes de pores sur les paramètres de stockage de l'hydrogène. Les MOF peuvent stocker des quantités record d'hydrogène à très basse température, mais la capacité d'hydrogène à température ambiante n'est pas assez bonne. Luzan a donc étudié de nouvelles méthodes pour améliorer cette capacité. Il a déjà été rapporté que l'ajout de catalyseurs métalliques améliore considérablement le stockage de l'hydrogène.

"Mais dans mon bureau, l'effet de l'ajout de catalyseurs métalliques sur l'absorption d'hydrogène dans les MOF n'a pas été confirmé, " dit Serhihy Luzan.

L'hydrogène présente un intérêt non seulement en tant que carburant mais aussi pour la modification chimique des matériaux carbonés nanostructurés, comme les nanotubes de carbone, fullerènes, et le graphène. Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone. Les nanotubes de carbone sont également constitués de carbone pur, sous forme de couches de graphène enroulées dans un cylindre. Fullerène, C60, se composent de soixante atomes de carbone disposés en figures à cinq ou six sommets, tout comme le motif sur un ballon de football. Il existe des matériaux en carbone qui sont plus solides que l'acier, conduire le courant mieux que le cuivre, et diffuse la chaleur mieux que le diamant.

Dans la deuxième partie de la thèse, Luzan décrit les matériaux qu'il a créés par la réaction de l'hydrogène avec des fullerènes et des nanotubes de carbone.

Luzan a étudié la réaction entre le fullerène C60 et l'hydrogène à des températures et des pressions d'hydrogène élevées, avec et sans ajout de catalyseurs métalliques. La réaction a entraîné la formation de fullerènes hydrogénés, C60Hx. Lors d'un traitement prolongé à l'hydrogène, la structure du fullerène s'est fragmentée et effondrée. Ce résultat montre qu'il est possible de décomposer les fullerènes par étapes en molécules plus petites en forme de coupe, qui sont stabilisés par des atomes d'hydrogène. Il s'agit d'une structure qui était auparavant difficile à réaliser.

« Avec cette méthode, nous devrions pouvoir utiliser les fullerènes comme matériau source relativement peu coûteux pour créer de nouvelles molécules qui, espérons-le, conserveraient des propriétés intéressantes du nano-matériau de carbone d'origine, " dit Serhihy Luzan.

Le graphène hydrogéné (graphane) devrait être un matériau idéal pour la nouvelle électronique à base de carbone, mais le graphane est difficile à synthétiser par une réaction directe entre le graphène et l'hydrogène. Il est beaucoup plus facile d'hydrogéner d'abord des nanotubes de carbone puis de les découper le long de l'axe du tube en ce qu'on appelle des nanorubans, qui ont de l'hydrogène lié de manière covalente à la surface.

Les expériences de Luzan ont montré que la réaction entre les nanotubes de carbone monoparoi et l'hydrogène est possible si un catalyseur approprié est utilisé, et il a pu observer que certains des nanotubes étaient convertis en nanorubans de graphène ou de graphane.