L'hydrogénation forme un mélange d'amide et d'hydrure de lithium (bleu clair) en tant qu'enveloppe externe autour d'une particule de nitrure de lithium (bleu foncé) nanoconfinée dans du carbone. Le nanoconfinement supprime toutes les autres phases intermédiaires pour éviter la formation d'interfaces, ce qui a pour effet d'améliorer considérablement les performances de stockage de l'hydrogène. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
Parfois, il faut aller petit pour gagner gros. C'est l'approche d'un multilab, L'équipe interdisciplinaire a utilisé des nanoparticules et un nouveau système de nanoconfinement pour développer une méthode permettant de modifier les propriétés de stockage de l'hydrogène. Cette découverte pourrait permettre la création de matériaux de stockage d'hydrogène de grande capacité capables de se ravitailler rapidement, améliorer les performances des véhicules électriques émergents à pile à combustible à hydrogène. Laboratoires nationaux Sandia, Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL), l'Institut national des normes et de la technologie et l'Université Mahidol à Bangkok, Thaïlande, collaboré à la recherche, qui a été publié le 8 février dans la revue Interfaces de matériaux avancées .
Accélérer l'absorption et la libération d'hydrogène
Les véhicules à pile à combustible à hydrogène sont alimentés par une réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène à l'intérieur d'une pile à combustible. Alors que l'oxygène est fourni par l'air, l'hydrogène doit être stocké séparément sur le véhicule. Les véhicules électriques à pile à combustible actuels stockent l'hydrogène sous forme de gaz à haute pression.
Un matériau solide peut agir comme une éponge pour l'absorption et la libération d'hydrogène, en termes chimiques hydrogénation et déshydrogénation. Ainsi, l'utilisation d'un tel matériau de stockage d'hydrogène pourrait augmenter la quantité d'hydrogène pouvant être stockée. Le matériau doit pouvoir stocker suffisamment d'hydrogène pour que le véhicule puisse parcourir au moins 300 milles avant de faire le plein.
"Il y a deux problèmes critiques avec les éponges existantes pour le stockage de l'hydrogène, " a déclaré le chimiste de Sandia Vitalie Stavila. " La plupart ne peuvent pas absorber suffisamment d'hydrogène pour les voitures. Aussi, les éponges ne libèrent pas et n'absorbent pas l'hydrogène assez rapidement, surtout par rapport aux 5 minutes nécessaires pour faire le plein."
Dans cet effort, Stavila a expliqué, l'équipe interdisciplinaire de scientifiques a travaillé en étroite collaboration sur la synthèse, caractérisation et modélisation pour améliorer les propriétés du nitrure de lithium, une éponge de stockage d'hydrogène prometteuse. L'équipe a également développé une compréhension fondamentale des raisons pour lesquelles le nanodimensionnement améliore les propriétés de stockage d'hydrogène de ce matériau.
Confiner l'espace
L'idée est venue de Natchapol "Golf" Poonyayant, étudiant diplômé de l'Université Mahidol, qui a approché Sandia avec l'idée d'utiliser le nanoconfinement pour améliorer les réactions de stockage de l'hydrogène dans les composés contenant de l'azote. En collaboration avec les chercheurs de Sandia, Poonyayant, son conseiller, Pasit Pakawatpanurut, et un autre étudiant de Mahidol, Natee "Game" Angboonpong, ont découvert que l'ammoniac liquide pouvait être utilisé comme solvant doux et efficace pour introduire des métaux et de l'azote dans les poches de nanoparticules de carbone, produisant des particules de nitrure de lithium nanoconfinées.
Le nouveau matériau qui a émergé de l'idée de Poonyayant a montré des propriétés inhabituelles et inattendues. D'abord, la quantité de nitrure de lithium dans l'hôte des nanoparticules de carbone était assez élevée pour un système nanoconfiné, environ 40 pour cent. Seconde, le nitrure de lithium nanoconfiné a absorbé et libéré de l'hydrogène plus rapidement que le matériau en vrac. Par ailleurs, une fois le nitrure de lithium hydrogéné, il a également libéré de l'hydrogène en une seule étape et beaucoup plus rapidement que le système en vrac qui a pris deux étapes.
"En d'autres termes, les voies chimiques pour l'absorption et la libération d'hydrogène dans ce matériau de stockage d'hydrogène ont été radicalement modifiées pour le mieux, ", a déclaré le chimiste de Sandia, Lennie Klebanoff.
le chimiste des Laboratoires nationaux Sandia Vitalie Stavila, la gauche, s'entretient avec Brandon Wood, scientifique en informatique du Lawrence Livermore National Laboratory, centre, et le chimiste de Sandia Lennie Klebanoff. Crédit :Dino Vournas
Comprendre l'énigme
Pour mieux comprendre le mécanisme responsable de cette amélioration, les scientifiques de Sandia ont contacté le scientifique informatique Brandon Wood de LLNL, un expert de premier plan dans la théorie des réactions à l'état solide. Wood et ses collègues du LLNL Tae Wook Heo, Jonathan Lee et Keith Ray ont découvert que la raison de ce comportement inhabituel était l'énergie associée à deux interfaces matérielles.
Étant donné que les nanoparticules de nitrure de lithium ne mesurent que 3 nanomètres de large, même le plus petit processus énergétiquement défavorable est évité dans les propriétés de stockage d'hydrogène. Pour les nanoparticules de nitrure de lithium subissant des réactions d'hydrogénation, l'évitement des intermédiaires défavorables (étapes supplémentaires dans le processus chimique) augmente l'efficacité.
Prenant le chemin de la moindre résistance, le matériau subit un chemin en une seule étape jusqu'à l'hydrogénation complète. De la même manière, une fois hydrogéné, les nanoparticules libèrent de l'hydrogène par la voie d'énergie la plus basse disponible, qui dans ce cas est une libération directe d'hydrogène en retour au nitrure de lithium.
"De cette façon, les nanointerfaces pilotent les propriétés de stockage de l'hydrogène lorsque les matériaux sont très petits, par exemple avec le nanoconfinement, " a déclaré Wood. " Le contrôle ciblé des nanointerfaces offre une nouvelle façon d'optimiser la chimie de la réaction de stockage de l'hydrogène. "
L'étape suivante
Selon les chercheurs de Sandia et du LLNL, la prochaine étape consiste à mieux comprendre comment les phases déshydrogénées et hydrogénées du nitrure de lithium changent à l'échelle nanométrique. C'est un défi de taille pour l'équipe, car elle nécessite l'imagerie de différentes phases chimiques au sein d'une particule qui n'a que quelques nanomètres de large.
L'équipe s'appuiera sur les capacités du Consortium de recherche avancée sur les matériaux de stockage d'hydrogène (HyMARC) du DOE, dirigé par Sandia et composé en plus de scientifiques du LLNL et du Lawrence Berkeley National Laboratory. L'équipe prévoit d'utiliser le rayonnement synchrotron à résolution spatiale de la source lumineuse avancée du LBNL pour sonder la chimie et la structure de l'interface.
En outre, puisque l'hôte de carbone nanoporeux est un "poids mort" du point de vue du stockage de l'hydrogène, l'équipe examine des moyens d'« alléger la charge » et de trouver des matériaux carbonés avec plus de nanopoches pour une masse de carbone donnée.
« Nous sommes ravis de cette avancée technique et ravis de nous attaquer au travail à venir, " dit Klebanoff. " Mais c'est doux-amer. Le golf, qui a inspiré ce travail et réalisé de nombreuses synthèses, décédé tragiquement à l'âge de 25 ans lors de la rédaction de cet article. Le monde a perdu un jeune homme talentueux et nous avons perdu un ami cher qui nous manque. Cet ouvrage et son compte rendu publié sont dédiés à Golf et à sa famille."
