Un mélange pulvérulent de nanocristaux métalliques enveloppés dans des feuilles monocouches d'atomes de carbone, développé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, est prometteur pour le stockage en toute sécurité de l'hydrogène à utiliser avec des piles à combustible pour les véhicules de tourisme et d'autres usages. Et maintenant, une nouvelle étude donne un aperçu des détails atomiques du revêtement ultrafin des cristaux et de la façon dont il sert de blindage sélectif tout en améliorant leurs performances de stockage d'hydrogène.

L'étude, dirigé par les chercheurs du Berkeley Lab, s'est appuyé sur une gamme d'expertise et de capacités de laboratoire pour synthétiser et enrober les cristaux de magnésium, qui ne mesurent que 3 à 4 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre ; étudier leur composition chimique à l'échelle nanométrique avec des rayons X; et développer des simulations informatiques et des théories à l'appui pour mieux comprendre comment les cristaux et leur revêtement de carbone fonctionnent ensemble.

Les découvertes de l'équipe scientifique pourraient aider les chercheurs à comprendre comment des revêtements similaires pourraient également améliorer les performances et la stabilité d'autres matériaux prometteurs pour les applications de stockage d'hydrogène. Le projet de recherche est l'un des nombreux efforts au sein d'un effort de R&D multi-laboratoires connu sous le nom de Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium (HyMARC) établi dans le cadre de l'Energy Materials Network par le US Department of Energy's Fuel Cell Technologies Office dans l'Office of Energy Efficacité et énergie renouvelable.

Oxyde de graphène réduit (ou rGO), qui ressemble au plus célèbre graphène (une feuille étendue de carbone, seulement un atome d'épaisseur, disposés en nid d'abeille), a des trous à l'échelle nanométrique qui permettent à l'hydrogène de passer tout en gardant les plus grosses molécules à distance.

Cette enveloppe de carbone était destinée à empêcher le magnésium - qui est utilisé comme matériau de stockage d'hydrogène - de réagir avec son environnement, y compris l'oxygène, vapeur d'eau et dioxyde de carbone. De telles expositions pourraient produire une épaisse couche d'oxydation qui empêcherait l'hydrogène entrant d'accéder aux surfaces de magnésium.

Mais la dernière étude suggère qu'une couche d'oxydation atomiquement mince s'est formée sur les cristaux lors de leur préparation. Et, encore plus surprenant, cette couche d'oxyde ne semble pas dégrader les performances du matériau.

"Précédemment, nous avons pensé que le matériel était très bien protégé, " a déclaré Liwen Wan, chercheur postdoctoral à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche scientifique à l'échelle nanométrique du DOE, qui a été l'auteur principal de l'étude. L'étude a été publiée dans le Lettres nano journal. « D'après notre analyse détaillée, nous avons vu des signes d'oxydation."

Wan ajouté, "La plupart des gens soupçonneraient que la couche d'oxyde est une mauvaise nouvelle pour le stockage de l'hydrogène, ce qui s'avère peut-être pas vrai dans ce cas. Sans cette couche d'oxyde, l'oxyde de graphène réduit aurait une interaction assez faible avec le magnésium, mais avec la couche d'oxyde, la liaison carbone-magnésium semble être plus forte.

"C'est un avantage qui améliore finalement la protection fournie par le revêtement en carbone, " a-t-elle noté. " Il ne semble pas y avoir d'inconvénient. "

David Prendergast, directeur du Molecular Foundry's Theory Facility et participant à l'étude, a noté que la génération actuelle de véhicules à hydrogène alimente leurs moteurs à pile à combustible à l'aide d'hydrogène gazeux comprimé. "Cela nécessite de l'encombrement, des réservoirs cylindriques lourds qui limitent l'efficacité de conduite de telles voitures, " il a dit, et les nanocristaux offrent une possibilité d'éliminer ces réservoirs encombrants en stockant l'hydrogène dans d'autres matériaux.

L'étude a également permis de montrer que la fine couche d'oxyde n'entrave pas nécessairement la vitesse à laquelle ce matériau peut absorber l'hydrogène, ce qui est important lorsque vous devez faire le plein rapidement. Cette découverte était également inattendue sur la base de la compréhension conventionnelle du rôle de blocage que l'oxydation joue généralement dans ces matériaux de stockage d'hydrogène.

Cela signifie que les nanocristaux enveloppés, dans un contexte de stockage et d'approvisionnement en carburant, absorberait chimiquement l'hydrogène gazeux pompé à une densité beaucoup plus élevée que possible dans un réservoir d'hydrogène gazeux comprimé aux mêmes pressions.

Les modèles que Wan a développés pour expliquer les données expérimentales suggèrent que la couche d'oxydation qui se forme autour des cristaux est atomiquement mince et stable dans le temps, suggérant que l'oxydation ne progresse pas.

L'analyse était basée, en partie, autour d'expériences réalisées à l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, une source de rayons X appelée synchrotron qui était auparavant utilisée pour explorer comment les nanocristaux interagissent avec l'hydrogène gazeux en temps réel.

Wan a déclaré qu'une clé de l'étude était d'interpréter les données de rayons X de l'ALS en simulant des mesures de rayons X pour des modèles atomiques hypothétiques de la couche oxydée, puis en sélectionnant les modèles qui correspondent le mieux aux données. "De là, nous savons à quoi ressemble réellement le matériau, " elle a dit.

Alors que de nombreuses simulations sont basées sur des matériaux très purs avec des surfaces propres, Wan a dit, dans ce cas, les simulations étaient censées être plus représentatives des imperfections réelles des nanocristaux.

Une prochaine étape, dans les expériences et les simulations, est d'utiliser des matériaux plus idéaux pour les applications réelles de stockage d'hydrogène, Wan a dit, tels que des hydrures métalliques complexes (composés hydrogène-métal) qui seraient également enveloppés dans une feuille protectrice de graphène.

"En allant vers des hydrures métalliques complexes, vous obtenez une capacité de stockage d'hydrogène intrinsèquement plus élevée et notre objectif est de permettre l'absorption et la libération d'hydrogène à des températures et des pressions raisonnables, " dit Wan.

Certains de ces matériaux complexes d'hydrure métallique sont assez longs à simuler, et l'équipe de recherche prévoit d'utiliser les superordinateurs du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC) pour ce travail.

"Maintenant que nous avons une bonne compréhension des nanocristaux de magnésium, nous savons que nous pouvons transférer cette capacité à regarder d'autres matériaux pour accélérer le processus de découverte, " dit Wan.