Stockage de l’hydrogène par chimie nanoconfinée
Le principal obstacle à bâtir une économie basée sur l’hydrogène – cette vision d’une société tant vantée où le transporteur principal de l’énergie est l’hydrogène – est le manque de systèmes de stockage de l’hydrogène efficaces. Les recherches menées par la communauté scientifique dans le stockage de l’hydrogène sont orientées vers les applications mobiles. L’hydrogène, dans les conditions ambiantes, est un gaz et prend beaucoup d’espace. Pour les installations de stockage fixes, alors que l’espace disponible n’est pas un problème, le gaz d’hydrogène peut être conservé dans de grands réservoirs à des pressions modérées en utilisant les technologies déjà connues. Toutefois, afin d’utiliser l’hydrogène pour des applications mobiles (la production et la vente de voitures fonctionnant à l’hydrogène à grande échelle par exemple), ce gaz doit être entreposé dans un format compact, sûr, efficace et bon marché.
En 2009, le Département de l’Energie des États-Unis d’Amérique (DOE) a proposé des objectifs pour le stockage de l’hydrogène dans les systèmes mobiles qui sont largement reconnus. Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas été en mesure de démontrer avec succès un matériau capable de simultanément satisfaire à toutes les exigences et critères énoncés par le DOE.
Une équipe de chercheurs européens a mis au point un nouveau concept de stockage de l’hydrogène utilisant des réactions chimiques nanoconfinées et réversibles. Ils montrent que l’hydrure nanoconfiné a un potentiel important de stockage de l’hydrogène. Un groupe de recherche au Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO) à l’Université du Danemark, mené par Flemming Besenbacher et Torben R. Jensen, se concentre sur l’utilisation de matériaux nanoporeux comme des échafaudages pour la préparation et le confinement des hydrures métalliques de taille nanométrique. Cette approche “bottom-up” limite la taille des particules de l’hydrure à la taille moyenne des pores du matériau d’échafaudage, ce qui permet la production directe de particules plus petites que celles obtenues mécaniquement. En outre, la croissance des particules et leur agglomération peuvent être entravées par le cloisonnement des nanoparticules dans le matériel d’échafaudage. Le nanoconfinement peut également servir de médiateur des propriétés améliorées de re-hydrogénation des hydrures métalliques complexes.
“Le nanoconfinement des hydrures métalliques suscite un intérêt croissant dans le domaine du stockage de l’hydrogène et ce principe a déjà été appliqué à un certain nombre de matériaux prometteurs”, expliquent les chercheurs. Dans leurs travaux publiés dans l’édition en-ligne de ACS Nano, l’équipe présente une approche alternative “bottom-up” où des nanoparticules d’hydrures sont synthétisées ou infiltrées après avoir été fondues dans un matériau inerte nanoporeux servant d’échafaud. Cette approche a plusieurs avantages :
- augmentation de la surface des réactifs
- distance de diffusion à l’échelle nanométrique
- augmentation du nombre de joints de grains, ce qui facilite la libération et l’absorption d’hydrogène et améliorer la cinétique de la réaction
Les nanoparticules de borohydrure de lithium (LiBH4) et d’hydrure de magnésium (MgH2) sont incorporées dans un aérogel de carbone nanoporeux échafaud ayant une taille maximum de pores de 21 nm. Les nanoparticules réagissent avec l’hydrogène et forment du diborure de magnésium. La cinétique de désorption de l’hydrogène est nettement améliorée par rapport aux conditions en vrac. De plus, le système nanoconfiné a un haut degré de réversibilité et de stabilité ainsi que des propriétés thermodynamiques potentiellement améliorées. Le but de ce travail était de développer davantage le concept de nanoconfinement en enquêtant sur un système de plus grande complexité. Le borohydrure de lithium et de l’hydrure de magnésium ont été étudiés de manière intensive dans le passé en raison de leur forte densité théorique pour le stockage de l’hydrogène.
Comme l’explique Nielsen, “l’utilisation de borohydrure de lithium comme matériau à l’état solide pour le stockage de l’hydrogène est entravée par sa stabilité thermique élevée défavorable (le dégagement de l’hydrogène a lieu à des températures supérieures à 400 °C) et, surtout, l’absorption de l’hydrogène ne se produit que dans des conditions extrêmes. De même, l’utilisation du magnésium, un métal abondant et bon marché, est également entravé par ses propriétés thermodynamiques défavorables.” Jensen ajoute que, “heureusement, à la fois les propriétés cinétiques et thermodynamiques des matériaux potentiels pour le stockage d’hydrogène peuvent être sensiblement améliorées par la combinaison des réactions chimiques exothermiques et endothermiques. Un changement d’enthalpie totale plus favorable peut être obtenu par l’introduction d’un nouvel état déshydrogéné qui peut faciliter l’hydrogénation. Ce concept est nommé composites hydrure réactive (RHC), et il aide à conserver une haute capacité massique de stockage d’hydrogène.”
En étudiant l’effet du nanoconfinement sur les propriétés de stockage d’hydrogène d’un système borohydrure de lithium/hydrure de magnésium, l’équipe (qui comprenaient des scientifiques de l’Institute of Material Research en Allemagne et de l’Université de Lund en Suède) a estimé que le nouveau système possède un degré élevé de stabilité et présente une amélioration de la réversibilité cinétique de désorption de l’hydrogène par rapport à un système en vrac. En outre, la notion de réactions chimiques nanoconfinées peut se développer et devenir un outil important dans le domaine émergent de la nanotechnologie pour l’amélioration des propriétés et du rendement pour un large éventail de réactions chimiques. Ce nouveau régime de la chimie nanoconfinée peut avoir de nombreuses applications intéressantes dans l’avenir, par exemple, dans la zone de fusion entre le stockage de produits chimiques et les énergies renouvelables.
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