De nouvelles recherches pourraient contribuer à faire progresser la technologie de stockage d’énergie propre

Depuis des années, les scientifiques sont fascinés par le phénomène mystérieux connu sous le nom de débordement d’hydrogène, qui recèle un grand potentiel pour transformer le domaine de l’énergie propre.

Essentiellement, le débordement d’hydrogène se produit lorsque de petites nanoparticules métalliques sont ancrées sur un oxyde thermiquement stable, comme la silice, constituant une classe majeure de catalyseurs. Alors que la réaction catalytique se produit généralement sur le métal réactif et coûteux, sur certains catalyseurs, des équivalents semblables à des atomes d’hydrogène se répandent littéralement du métal vers l’oxyde, formant ce que les scientifiques appellent « débordement d’hydrogène ».

Décrit pour la première fois en 1964, il n’a cependant pas beaucoup progressé. Alors que les chercheurs sont capables d’identifier les retombées de l’hydrogène depuis près de 60 ans, personne n’a été en mesure de les quantifier et de décrire le mécanisme qui sous-tend le phénomène – jusqu’à présent.

Dans le cadre d’une avancée récente, une équipe de recherche dirigée par Penn State a découvert comment et pourquoi le débordement d’hydrogène se produit et a fourni la première mesure quantitative du processus. Ces travaux ouvrent la porte à une meilleure compréhension et au développement de l’activation et du stockage de l’hydrogène.

Le stockage conventionnel de l’hydrogène nécessite des quantités importantes d’énergie pour maintenir l’hydrogène à l’état liquide. Aujourd’hui, les chercheurs ont développé un système unique d’or sur titane capable de briser de manière efficace, efficiente et réversible les molécules d’hydrogène en atomes d’hydrogène – un processus nécessaire pour induire un débordement d’hydrogène – à des températures plus élevées. Ce processus nécessite beaucoup moins d’énergie que le stockage conventionnel de l’hydrogène.

Selon les chercheurs, les systèmes de débordement d’hydrogène fonctionnent en divisant l’hydrogène gazeux en équivalents d’atomes d’hydrogène – un proton et un électron, mais selon une disposition différente de leur disposition habituelle. Pendant que les protons adhèrent à la surface du matériau, les électrons pénètrent dans la bande de conduction proche de la surface de l’oxyde semi-conducteur. Les chercheurs espèrent utiliser ce système pour tester des applications chimiques avancées, telles que la conversion d’atomes en carburants propres et le stockage d’hydrogène.

La recherche a révélé que l’entropie joue un rôle crucial dans le déplacement des atomes du métal vers le substrat, offrant ainsi une compréhension plus nuancée du phénomène.

Les chercheurs pensaient auparavant que les équivalents d’atomes d’hydrogène étaient fortement liés à la couche de nanoparticules et nécessitaient une énergie thermique beaucoup plus élevée pour rompre ces liaisons et produire davantage de retombées. Cependant, la plupart des systèmes facilitant les débordements d’hydrogène ont tendance à être complexes, car les débordements peuvent sembler varier leur force de liaison à la fois avec la nanoparticule et avec le substrat d’oxyde semi-conducteur. Cette liaison collante dissimule la véritable adsorption et masque ce qui est à l’origine du débordement : l’énergie thermique ou l’entropie.

“Nous avons eu beaucoup de chance avec notre choix de système, que nous avons choisi parce que nous étions déjà intéressés par le fonctionnement de l’or comme catalyseur”, Le professeur Bert Chandler de Penn State a déclaré : expliquant que des chercheurs précédents pouvaient mesurer la quantité adsorbée avec précision, car la faible adsorption sur l’oxyde masquait la quantité de débordement du métal. « Nous n’avons pas inventé une nouvelle chimie ; nous venons de collecter les données. Il nous a fallu six ans de mesures et de re-mesures – lorsque vous faites une affirmation exceptionnelle, il vaut mieux avoir des preuves exceptionnelles – mais nous avons comblé cette lacune dans notre compréhension : l’entropie est à l’origine des retombées de l’hydrogène.

Les chercheurs envisagent désormais d’étudier les types de matériaux qui pourraient faciliter un meilleur stockage de l’hydrogène. Selon Chandler, ces travaux constituent une étape vers le développement des énergies propres et un exemple frappant du fonctionnement du processus scientifique.

Référence du journal :

1. Akbar Mahdavi-Shakib, Todd N. Whittaker, Tae Yong Yun, KB Sravan Kumar, Lauren C. Rich, Shengguang Wang, Robert M. Rioux, Lars C. Grabow et Bert D. Chandler. Le rôle des hydroxyles de surface dans l’adsorption et le débordement de H2 induits par l’entropie sur les catalyseurs Au/TiO2. Catalyse naturelle, 2023 ; EST CE QUE JE: 10.1038/s41929-023-00996-3