L'hydrogène est l'élément le plus léger et le plus abondant sur Terre et dans notre univers. Il ne devrait donc pas être surprenant que les scientifiques recherchent l'hydrogène comme un produit propre, sans carbone, source d'énergie pratiquement illimitée pour les voitures et pour une gamme d'autres utilisations, des générateurs portables aux tours de télécommunications, avec de l'eau comme seul sous-produit de la combustion.

Bien qu'il reste des défis scientifiques à relever pour rendre les sources d'énergie à base d'hydrogène plus compétitives avec les systèmes de propulsion automobile actuels et d'autres technologies énergétiques, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont mis au point une nouvelle recette de matériaux pour une pile à combustible à hydrogène semblable à une batterie - qui entoure des nanocristaux de magnésium absorbant l'hydrogène avec des feuilles de graphène atomiquement minces - pour faire progresser ses performances dans des domaines.

Le graphène protège les nanocristaux de l'oxygène, de l'humidité et des contaminants, tout petit, les trous naturels laissent passer les plus petites molécules d'hydrogène. Ce procédé de filtrage surmonte les problèmes courants dégradant les performances des hydrures métalliques pour le stockage de l'hydrogène.

Ces cristaux de magnésium encapsulés dans du graphène agissent comme des « éponges » pour l'hydrogène, offrant un moyen très compact et sûr d'absorber et de stocker l'hydrogène. Les nanocristaux permettent également un ravitaillement plus rapide, et réduire la taille globale du "réservoir".

« Parmi les matériaux à base d'hydrure métallique pour le stockage de l'hydrogène pour les applications de véhicules à pile à combustible, nos matériaux ont de bonnes performances en termes de capacité, réversibilité, cinétique et stabilité, " dit Eun Seon Cho, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab et auteur principal d'une étude liée à la nouvelle formule de pile à combustible, publié récemment dans Communication Nature .

Dans un véhicule à pile à combustible à hydrogène utilisant ces matériaux, appelée pile à combustible "à hydrure métallique" (hydrogène lié à un métal), L'hydrogène gazeux pompé dans un véhicule serait absorbé chimiquement par la poudre nanocristalline de magnésium et rendu sûr à basse pression.

Jeff Urbain, un scientifique du Berkeley Lab et co-auteur, mentionné, "Ce travail suggère la possibilité d'un stockage et d'une utilisation pratiques de l'hydrogène à l'avenir. Je pense que ces matériaux représentent une approche généralement applicable pour stabiliser les matériaux réactifs tout en exploitant leur activité unique - des concepts qui pourraient avoir de nombreuses applications pour les batteries, catalyse, et des matériaux énergétiques."

La recherche, menée à la fonderie moléculaire et à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, fait partie d'un consortium national de laboratoires, surnommé HyMARC (Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium) qui recherche un stockage d'hydrogène plus sûr et plus rentable, et Urban est le scientifique principal de Berkeley Lab pour cet effort.

Part de marché aux États-Unis pour tous les véhicules électriques en 2015, y compris tout électrique, hybrides et véhicules hybrides rechargeables, était de 2,87 %, qui s'élève à environ 500, 000 véhicules électriques sur des ventes totales de véhicules d'environ 17,4 millions, selon les statistiques rapportées par l'Electric Drive Transportation Association, une association professionnelle promouvant les véhicules électriques.

Les véhicules à pile à combustible à hydrogène n'ont pas encore fait de percées majeures dans les ventes de véhicules, bien que plusieurs grands constructeurs automobiles, dont Toyota, Honda, et General Motors, ont investi dans le développement de véhicules à pile à combustible à hydrogène. En effet, Toyota a sorti un modèle de petite production appelé Mirai, qui utilise des réservoirs d'hydrogène comprimé, l'année dernière aux États-Unis

Un avantage potentiel pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène, en plus de leur impact environnemental réduit par rapport aux véhicules à carburant standard, est la haute énergie spécifique de l'hydrogène, ce qui signifie que les piles à combustible à hydrogène peuvent potentiellement prendre moins de poids que d'autres systèmes de batteries et sources de combustible tout en produisant plus d'énergie électrique.

Une mesure de la capacité de stockage d'énergie par poids de piles à combustible à hydrogène, connue sous le nom de "densité d'énergie gravimétrique, " est environ trois fois celle de l'essence. Urban a noté que cette propriété importante, s'il est utilisé efficacement, pourrait étendre la gamme totale de véhicules de transport à base d'hydrogène, et prolonger le délai entre les ravitaillements pour de nombreuses autres applications, trop.

Plus de R&D est nécessaire pour réaliser un stockage d'hydrogène de plus grande capacité pour les applications de véhicules à longue autonomie qui dépassent les performances des batteries de véhicules électriques existantes, Cho a dit, et d'autres applications pourraient être mieux adaptées aux piles à combustible à hydrogène à court terme, telles que les sources d'alimentation fixes, chariots élévateurs et véhicules aéroportuaires, sources d'alimentation portables comme les chargeurs de batterie d'ordinateurs portables, éclairage portatif, pompes à eau et à eaux usées et équipement des services d'urgence.

Cho a déclaré qu'un obstacle au stockage des hydrures métalliques a été un taux relativement lent d'absorption (absorption) et de libération (désorption) d'hydrogène pendant le cycle des unités. Dans les piles à combustible, des réactions chimiques séparées impliquant l'hydrogène et l'oxygène produisent un flux d'électrons qui sont canalisés sous forme de courant électrique, créer de l'eau en tant que sous-produit.

La petite taille des nanocristaux encapsulés de graphène créés au Berkeley Lab, qui ne mesurent que 3-4 nanomètres environ, ou des milliardièmes de mètre de diamètre, est une clé dans la capture et la libération rapides d'hydrogène des nouveaux matériaux de pile à combustible, Cho a dit, car ils ont plus de surface disponible pour les réactions que le même matériau ne le ferait à des tailles plus grandes.

Une autre clé est de protéger le magnésium de l'exposition à l'air, ce qui le rendrait inutilisable pour la pile à combustible, elle a ajouté.

Travailler à la Fonderie Moléculaire, les chercheurs ont trouvé un simple, technique "one pan" évolutive et rentable pour mélanger les feuilles de graphène et les nanocristaux d'oxyde de magnésium dans le même lot. Ils ont ensuite étudié la structure des nanocristaux enrobés à l'aide de rayons X à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab. Les études aux rayons X ont montré comment l'hydrogène gazeux pompé dans le mélange de piles à combustible réagissait avec les nanocristaux de magnésium pour former une molécule plus stable appelée hydrure de magnésium tout en empêchant l'oxygène d'atteindre le magnésium.

"Il est stable dans l'air, ce qui est important, " dit Cho.

Les prochaines étapes de la recherche se concentreront sur l'utilisation de différents types de catalyseurs, qui peuvent améliorer la vitesse et l'efficacité des réactions chimiques, afin d'améliorer encore la conversion du courant électrique de la pile à combustible, et en étudiant si différents types de matériaux peuvent également améliorer la capacité globale de la pile à combustible, dit Cho.