L'hydrogène est une source durable d'énergie propre qui évite les émissions toxiques et peut ajouter de la valeur à plusieurs secteurs de l'économie, notamment les transports, la production d'énergie, fabrication de métaux, entre autres. Les technologies de stockage et de transport de l'hydrogène comblent le fossé entre la production d'énergie durable et l'utilisation de carburant, et sont donc une composante essentielle d'une économie viable de l'hydrogène. Mais les moyens traditionnels de stockage et de transport sont chers et sensibles à la contamination. Par conséquent, les chercheurs recherchent des techniques alternatives fiables, pas cher et simple. Des systèmes de distribution d'hydrogène plus efficaces profiteraient à de nombreuses applications telles que l'alimentation stationnaire, Charge portable, et les industries des véhicules mobiles.

Maintenant, comme indiqué dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences , des chercheurs ont conçu et synthétisé un matériau efficace pour accélérer l'une des étapes limitantes de l'extraction de l'hydrogène des alcools. Le matériel, un catalyseur, est composé de minuscules amas de nickel métallique ancrés sur un substrat 2-D. L'équipe dirigée par des chercheurs de la fonderie moléculaire du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a découvert que le catalyseur pouvait accélérer proprement et efficacement la réaction qui élimine les atomes d'hydrogène d'un support chimique liquide. Le matériau est robuste et fabriqué à partir de métaux abondants sur terre plutôt que d'options existantes à base de métaux précieux, et contribuera à faire de l'hydrogène une source d'énergie viable pour un large éventail d'applications.

"Nous présentons ici non seulement un catalyseur avec une activité plus élevée que les autres catalyseurs au nickel que nous avons testés, pour une importante énergie renouvelable, mais aussi une stratégie plus large vers l'utilisation de métaux abordables dans un large éventail de réactions, " a déclaré Jeff Urban, le directeur de l'Inorganic Nanostructures Facility de la Molecular Foundry qui a dirigé les travaux. La recherche fait partie de l'Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), un consortium financé par l'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE) du département américain de l'Énergie. Grâce à cet effort, cinq laboratoires nationaux travaillent dans le but de combler les lacunes scientifiques bloquant l'avancement des matériaux solides de stockage d'hydrogène. Les résultats de ce travail alimenteront directement la vision H2@Scale d'EERE pour une production d'hydrogène abordable, espace de rangement, la distribution et l'utilisation dans plusieurs secteurs de l'économie.

Les composés chimiques qui agissent comme des catalyseurs comme celui développé par Urban et son équipe sont couramment utilisés pour augmenter la vitesse d'une réaction chimique sans que le composé lui-même ne soit consommé - ils pourraient maintenir une molécule particulière dans une position stable, ou servir d'intermédiaire qui permet de franchir une étape importante de manière fiable. Pour la réaction chimique qui produit de l'hydrogène à partir de supports liquides, les catalyseurs les plus efficaces sont fabriqués à partir de métaux précieux. Cependant, ces catalyseurs sont associés à des coûts élevés et à une faible abondance, et sont sensibles à la contamination. D'autres catalyseurs moins chers, fabriqués à partir de métaux plus communs, ont tendance à être moins efficaces et moins stables, ce qui limite leur activité et leur déploiement pratique dans les industries de production d'hydrogène.

Pour améliorer les performances et la stabilité de ces catalyseurs à base de métaux riches en terre, Urban et ses collègues ont modifié une stratégie qui se concentre sur les minuscules, amas uniformes de nickel métallique. Les petits amas sont importants car ils maximisent l'exposition de la surface réactive dans une quantité donnée de matériau. Mais ils ont aussi tendance à se regrouper, ce qui inhibe leur réactivité.

Assistant de recherche postdoctoral Zhuolei Zhang et scientifique du projet Ji Su, à la fois à la Molecular Foundry et co-auteurs principaux sur le papier, conçu et réalisé une expérience qui combattait l'agglutination en déposant des amas de nickel de 1,5 nanomètre de diamètre sur un substrat 2D composé de bore et d'azote conçu pour accueillir une grille de fossettes à l'échelle atomique. Les amas de nickel sont devenus uniformément dispersés et solidement ancrés dans les fossettes. Non seulement cette conception a empêché l'agglutination, mais ses propriétés thermiques et chimiques ont grandement amélioré les performances globales du catalyseur en interagissant directement avec les clusters de nickel.

« Le rôle de la surface sous-jacente au cours de la formation des grappes et de la phase de dépôt s'est avéré critique, et peut fournir des indices pour comprendre leur rôle dans d'autres processus », a déclaré Urban.

Mesures détaillées par rayons X et spectroscopie, combiné avec des calculs théoriques, a révélé beaucoup de choses sur les surfaces sous-jacentes et leur rôle dans la catalyse. À l'aide des outils de la source lumineuse avancée, une installation d'utilisateurs du DOE à Berkeley Lab, et méthodes de modélisation informatique, les chercheurs ont identifié des changements dans les propriétés physiques et chimiques des feuilles 2D tandis que de minuscules amas de nickel se formaient et se déposaient dessus. L'équipe a proposé que le matériau se forme tandis que les amas métalliques occupent des régions vierges des feuilles et interagissent avec les bords proches, préservant ainsi la petite taille des grappes. Le petit, les amas stables ont facilité l'action dans les processus par lesquels l'hydrogène est séparé de son support liquide, doter le catalyseur d'une excellente sélectivité, productivité, et des performances stables.

Les calculs ont montré que la taille du catalyseur était la raison pour laquelle son activité était parmi les meilleures par rapport à d'autres qui ont été récemment signalées. David Prendergast, directeur de l'Installation Théorie des Matériaux Nanostructurés à la Fonderie Moléculaire, avec l'assistante de recherche postdoctorale et co-auteur principale Ana Sanz-Matias, utilisé des modèles et des méthodes de calcul pour découvrir la structure géométrique et électronique unique des minuscules amas métalliques. Atomes de métal nu, abondante sur ces minuscules grappes, attiraient plus facilement le porteur liquide que les particules métalliques plus grosses. Ces atomes exposés ont également facilité les étapes de la réaction chimique qui élimine l'hydrogène du support, tout en empêchant la formation de contaminants susceptibles de boucher la surface de l'amas. D'où, le matériau est resté exempt de pollution pendant les étapes clés de la réaction de production d'hydrogène. Ces propriétés catalytiques et anti-contamination ont émergé des imperfections qui avaient été délibérément introduites dans les feuilles 2D et ont finalement contribué à maintenir la taille des grappes petite.

"La contamination peut rendre non viables d'éventuels catalyseurs à base de métaux non précieux. Notre plate-forme ici ouvre une nouvelle porte à l'ingénierie de ces systèmes, " dit Urbain.

Dans leur catalyseur, les chercheurs ont atteint l'objectif de créer un produit relativement peu coûteux, facilement disponible, et un matériau stable qui aide à extraire l'hydrogène des vecteurs liquides pour l'utiliser comme carburant. Ce travail est le résultat d'un effort du DOE pour développer des matériaux de stockage d'hydrogène pour atteindre les objectifs de l'Office des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible de l'EERE et pour optimiser les matériaux pour une utilisation future dans les véhicules.

Future work by the Berkeley Lab team will further hone the strategy of modifying 2-D substrates in ways that support tiny metal clusters, to develop even more efficient catalysts. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.