Les ingénieurs de l'Université Rice se sont concentrés sur l'architecture optimale pour stocker l'hydrogène dans les nanomatériaux de « graphène blanc », une conception semblable à un gratte-ciel lilliputien avec des « planchers » de nitrure de bore superposés et maintenus précisément à 5,2 angströms l'un de l'autre par des piliers en nitrure de bore.

Les résultats apparaissent dans le journal Petit .

« La motivation est de créer un matériau efficace qui peut absorber et contenir beaucoup d'hydrogène - à la fois en volume et en poids - et qui peut rapidement et facilement libérer cet hydrogène lorsque cela est nécessaire, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Rouzbeh Shahsavari, professeur assistant de génie civil et environnemental à Rice.

L'hydrogène est l'élément le plus léger et le plus abondant de l'univers, et son rapport énergie-masse - la quantité d'énergie disponible par livre de matière première, par exemple, dépasse de loin celui des combustibles fossiles. C'est aussi le moyen le plus propre de produire de l'électricité :le seul sous-produit est l'eau. Un rapport publié en 2017 par des analystes de marché de BCC Research a révélé que la demande mondiale de matériaux et de technologies de stockage d'hydrogène atteindra probablement 5,4 milliards de dollars par an d'ici 2021.

Les principaux inconvénients de l'hydrogène concernent la portabilité, stockage et sécurité. Alors que de grands volumes peuvent être stockés sous haute pression dans des dômes de sel souterrains et des réservoirs spécialement conçus, les petites citernes mobiles, l'équivalent d'un réservoir d'essence automobile, ont jusqu'à présent échappé aux ingénieurs.

Après des mois de calculs sur deux des supercalculateurs les plus rapides de Rice, Shahsavari et Shuo Zhao, étudiant diplômé de Rice, ont trouvé l'architecture optimale pour stocker l'hydrogène dans le nitrure de bore. Une forme du matériau, nitrure de bore hexagonal (hBN), se compose de feuilles de bore et d'azote d'épaisseur atomique et est parfois appelé graphène blanc car les atomes sont espacés exactement comme les atomes de carbone dans les feuilles plates de graphène.

Des travaux antérieurs dans le laboratoire de matériaux multi-échelles de Shahsavari ont révélé que les matériaux hybrides de graphène et de nitrure de bore pouvaient contenir suffisamment d'hydrogène pour atteindre les objectifs de stockage du ministère de l'Énergie pour les véhicules légers à pile à combustible.

« Le choix du matériau est important, " Il a dit. " Il a été démontré que le nitrure de bore est meilleur en termes d'absorption d'hydrogène que le graphène pur, nanotubes de carbone ou hybrides de graphène et de nitrure de bore.

"Mais l'espacement et la disposition des feuilles et des piliers hBN sont également critiques, " a-t-il dit. " Nous avons donc décidé d'effectuer une recherche exhaustive de toutes les géométries possibles de hBN pour voir laquelle fonctionnait le mieux. Nous avons également étendu les calculs pour inclure diverses températures, pressions et dopants, oligo-éléments qui peuvent être ajoutés au nitrure de bore pour augmenter sa capacité de stockage d'hydrogène."

Zhao et Shahsavari ont mis en place de nombreux tests « ab initio », simulations informatiques utilisant les premiers principes de la physique. Shahsavari a déclaré que l'approche était intensive en calcul mais valait l'effort supplémentaire car elle offrait le plus de précision.

« Nous avons mené près de 4, 000 calculs ab initio pour essayer de trouver ce sweet spot où le matériau et la géométrie vont de pair et travaillent vraiment ensemble pour optimiser le stockage de l'hydrogène, " il a dit.

Contrairement aux matériaux qui stockent l'hydrogène par liaison chimique, Shahsavari a déclaré que le nitrure de bore est un sorbant qui retient l'hydrogène par des liaisons physiques, qui sont plus faibles que les liaisons chimiques. C'est un avantage lorsqu'il s'agit de sortir l'hydrogène du stockage car les matériaux absorbants ont tendance à se décharger plus facilement que leurs cousins ​​chimiques, dit Shahsavari.

Il a déclaré que le choix de feuilles ou de tubes en nitrure de bore et l'espacement correspondant entre eux dans la superstructure étaient la clé pour maximiser la capacité.

"Sans piliers, les feuilles reposent naturellement les unes sur les autres à environ 3 angströms l'une de l'autre, et très peu d'atomes d'hydrogène peuvent pénétrer dans cet espace, " a-t-il dit. " Lorsque la distance a atteint 6 angströms ou plus, la capacité a également diminué. À 5,2 angströms, il y a une attraction coopérative du plafond et du sol, et l'hydrogène a tendance à s'agglomérer au milieu. Inversement, les modèles faits de tubes purement BN - et non de feuilles - avaient une capacité de stockage moindre."

Shahsavari a déclaré que les modèles montraient que les structures de plaques tubulaires en hBN pure pouvaient contenir 8 pour cent en poids d'hydrogène. (Le pourcentage de poids est une mesure de la concentration, similaire aux parties par million.) Des expériences physiques sont nécessaires pour vérifier cette capacité, mais que l'objectif ultime du DOE est de 7,5 % en poids, et les modèles de Shahsavari suggèrent qu'encore plus d'hydrogène peut être stocké dans sa structure si des traces de lithium sont ajoutées au hBN.

Finalement, Shahsavari a dit, irrégularités dans l'appartement, des feuilles de type plancher de la structure pourraient également s'avérer utiles pour les ingénieurs.

« Des rides se forment naturellement dans les feuilles de nitrure de bore à piliers en raison de la nature des jonctions entre les colonnes et les planchers, " dit-il. " En fait, cela pourrait également être avantageux car les rides peuvent fournir de la ténacité. Si le matériau est placé sous charge ou impact, cette forme bouclée peut se déboucler facilement sans se casser. Cela pourrait ajouter à la sécurité du matériel, ce qui est une grande préoccupation dans les dispositifs de stockage d'hydrogène.

"En outre, la conductivité thermique élevée et la flexibilité du BN peuvent offrir des opportunités supplémentaires pour contrôler l'adsorption et la cinétique de libération à la demande, " a déclaré Shahsavari. " Par exemple, il peut être possible de contrôler la cinétique de libération en appliquant une tension externe, chaleur ou un champ électrique."