Un groupe de chercheurs a identifié la principale pierre d’achoppement d’un matériau commun à base d’hydrogène à l’état solide, ouvrant la voie à de futures directives de conception et à une utilisation commerciale généralisée.
Les détails de leurs découvertes ont été publiés dans le Journal de chimie des matériaux Aoù l’article a été présenté comme un article de couverture.
L’hydrogène jouera un rôle important dans l’alimentation de notre avenir. Il est abondant et ne produit aucune émission nocive lorsqu’il est brûlé. Mais le stockage et le transport de l’hydrogène sont à la fois coûteux et risqués.
Actuellement, l’hydrogène est stocké par trois méthodes : le stockage d’hydrogène gazeux à haute pression, le stockage d’hydrogène liquide à basse température et le stockage d’hydrogène à l’état solide. Parmi le stockage d’hydrogène à l’état solide, les matériaux à l’état solide sont généralement les plus sûrs et offrent la plus grande densité de stockage d’hydrogène.
Les hydrures métalliques ont longtemps été explorés pour leur grande potentialité de stockage d’hydrogène et leur faible coût. Lorsque ces métaux entrent en contact avec de l’hydrogène gazeux, l’hydrogène est absorbé à la surface. Un apport d’énergie supplémentaire conduit les atomes d’hydrogène à se frayer un chemin dans les réseaux cristallins du métal jusqu’à ce que le métal devienne saturé d’hydrogène. À partir de là, le matériau peut absorber et désorber l’hydrogène en plus grande quantité.
L’hydrure de magnésium (MgH2) s’est révélé extrêmement prometteur pour une capacité de stockage d’hydrogène supérieure. Cependant, une température élevée est nécessaire pour que MgH2 se décompose et produise de l’hydrogène. De plus, la migration et la désorption complexes de l’hydrogène du matériau, qui entraînent une cinétique de déshydrogénation lente, ont entravé son application commerciale.
Pendant des décennies, les scientifiques ont débattu des raisons pour lesquelles la déshydrogénation dans le MgH2 est si difficile. Mais maintenant, le groupe de recherche a découvert une réponse.
En utilisant des calculs basés sur la théorie fonctionnelle de la densité polarisée en spin avec des corrections de van der Waals, ils ont mis au jour un «effet d’éclatement» lors de la déshydrogénation du MgH2. Les barrières de déshydrogénation initiales mesurées à 2,52 et 2,53 eV, tandis que les barrières de réaction ultérieures étaient de 0,12 à 1,51 eV.
Le groupe a effectué une analyse plus approfondie des liaisons avec la méthode de population cristalline orbitale de Hamilton, où ils ont confirmé que la force de la liaison magnésium-hydrure diminuait à mesure que le processus de déshydrogénation se poursuivait.
« La migration et la désorption de l’hydrogène sont beaucoup plus faciles après l’effet d’éclatement initial », souligne Hao Li, professeur associé à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux de l’Université de Tohoku (WPI-AIMR) et auteur correspondant de l’article. « Les modifications d’ingénierie structurelle qui favorisent ce processus de désorption pourraient être la clé pour faciliter la désorption de l’hydrogène du MgH2. »
Li et ses collègues ont démontré que les lacunes d’hydrogène maintenaient un degré élevé de localisation électronique lorsque la première couche d’hydrogène atomique existe. Les analyses des caractéristiques cinétiques du MgH2 après déshydrogénation de surface, effectuées par des simulations de dynamique moléculaire ab initio, ont également fourni des preuves supplémentaires.
« Nos découvertes fournissent une base théorique pour la cinétique de déshydrogénation du MgH2, fournissant des lignes directrices importantes pour modifier les matériaux de stockage d’hydrogène à base de MgH2 », ajoute Li.
