Des simulations réalisées par des scientifiques de l'Université Rice montrent que le nitrure de bore de graphène à piliers peut être un support de stockage approprié pour les véhicules à hydrogène. Dessus, les piliers rose (bore) et bleu (azote) servent d'espaceurs pour les feuilles de graphène carbone (gris). Les chercheurs ont montré que le matériau fonctionnait mieux lorsqu'il était dopé avec des atomes d'oxygène (rouge), ce qui a amélioré sa capacité à adsorber et à désorber l'hydrogène (blanc). Crédit : Lei Tao/Université du riz
Des couches de graphène séparées par des piliers de nanotubes de nitrure de bore peuvent être un matériau approprié pour stocker de l'hydrogène dans les voitures, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Le ministère de l'Énergie a établi des références pour les matériaux de stockage qui feraient de l'hydrogène un carburant pratique pour les véhicules légers. Le scientifique des matériaux du laboratoire Rice, Rouzbeh Shahsavari, a déterminé dans une nouvelle étude informatique que le nitrure de bore et le graphène en piliers pourraient être un candidat.
L'étude de Shahsavari et Farzaneh Shayeganfar paraît dans la revue American Chemical Society Langmuir .
Le laboratoire de Shahsavari avait déjà déterminé à l'aide de modèles informatiques à quel point les structures de graphène à piliers seraient résistantes et résilientes, et plus tard, des nanotubes de nitrure de bore ont été intégrés au mélange pour modéliser une architecture tridimensionnelle unique. (Des échantillons de nanotubes de nitrure de bore liés de manière transparente au graphène ont été fabriqués.)
Tout comme les piliers d'un bâtiment font de l'espace entre les étages pour les personnes, les piliers du graphène au nitrure de bore font de la place aux atomes d'hydrogène. L'enjeu est de les faire entrer et rester en nombre suffisant et de sortir à la demande.
Dans leurs dernières simulations de dynamique moléculaire, les chercheurs ont découvert que le graphène à piliers ou le graphène au nitrure de bore à piliers offriraient une surface abondante (environ 2, 547 mètres carrés par gramme) avec de bonnes propriétés recyclables dans les conditions ambiantes. Leurs modèles ont montré que l'ajout d'oxygène ou de lithium aux matériaux les rendrait encore meilleurs pour lier l'hydrogène.
Ils ont concentré les simulations sur quatre variantes :des structures en piliers de nitrure de bore ou du graphène en piliers de nitrure de bore dopé à l'oxygène ou au lithium. A température ambiante et à pression ambiante, le graphène au nitrure de bore dopé à l'oxygène s'est avéré le meilleur, contenant 11,6 pour cent de son poids en hydrogène (sa capacité gravimétrique) et environ 60 grammes par litre (sa capacité volumétrique); il bat facilement les technologies concurrentes comme le nitrure de bore poreux, charpentes d'oxydes métalliques et nanotubes de carbone.
À un froid de -321 degrés Fahrenheit, le matériau contenait 14,77 pour cent de son poids en hydrogène.
L'objectif actuel du ministère de l'Énergie pour les supports de stockage économiques est la capacité de stocker plus de 5,5 pour cent de son poids et 40 grammes par litre d'hydrogène dans des conditions modérées. Les objectifs ultimes sont de 7,5% en poids et 70 grammes par litre.
Shahsavari a déclaré que les atomes d'hydrogène adsorbés sur le graphène de nitrure de bore à piliers non dopé, grâce aux faibles forces de van der Waals. Lorsque le matériau a été dopé à l'oxygène, les atomes se sont fortement liés à l'hybride et ont créé une meilleure surface pour l'hydrogène entrant, qui, selon Shahsavari, serait probablement livré sous pression et sortirait lorsque la pression serait relâchée.
"L'ajout d'oxygène au substrat nous donne une bonne liaison en raison de la nature des charges et de leurs interactions, " dit-il. " L'oxygène et l'hydrogène sont connus pour avoir une bonne affinité chimique. "
Il a déclaré que la nature polarisée du nitrure de bore où il se lie avec le graphène et la mobilité électronique du graphène lui-même rendent le matériau hautement adaptable aux applications.
"Ce que nous recherchons, c'est le sweet spot, " Shahsavari a dit, décrivant les conditions idéales comme un équilibre entre la surface et le poids du matériau, ainsi que les températures et pressions de fonctionnement. « Ceci n'est pratique que grâce à la modélisation informatique, car on peut tester beaucoup de variantes très rapidement. Il faudrait des mois aux expérimentateurs pour faire ce qui ne nous prend que quelques jours."
Il a déclaré que les structures devraient être suffisamment robustes pour dépasser facilement l'exigence du ministère de l'Énergie selon laquelle un réservoir d'hydrogène peut résister à 1, 500 cycles de charge-décharge.
