L’hydrogène, ce vecteur énergétique du futur, a toujours été confronté à un défi majeur : son stockage. Une équipe de physiciens suisses et polonais a récemment apporté des éclaircissements sur les raisons pour lesquelles l’hydrure de magnésium, un candidat prometteur pour le stockage de l’hydrogène, n’a pas encore atteint son plein potentiel. Cette découverte pourrait bien changer la donne.
Le principal obstacle à l’adoption de l’hydrogène comme source d’énergie réside dans la difficulté de son stockage. Dans les rares voitures alimentées à l’hydrogène, celui-ci est stocké sous pression, à environ 700 atmosphères. Cette méthode, ni la plus économique, ni la plus sûre, est loin d’être efficace : un mètre cube ne peut contenir que 45 kg d’hydrogène. Si l’hydrogène est préalablement condensé, ce volume peut contenir jusqu’à 70 kg d’hydrogène.
Malheureusement, la liquéfaction nécessite de grandes quantités d’énergie et une température extrêmement basse, d’environ 20 Kelvin, doit être maintenue tout au long du stockage. Une alternative pourrait être des matériaux appropriés, comme l’hydrure de magnésium, qui peut contenir jusqu’à 106 kg d’hydrogène dans un mètre cube.
L’hydrure de magnésium : un candidat prometteur
L’hydrure de magnésium fait partie des matériaux les plus simples testés pour leur capacité de stockage de l’hydrogène. Son contenu peut atteindre 7,6% (en poids). Les dispositifs à base d’hydrure de magnésium sont donc assez lourds et principalement adaptés à des applications stationnaires.
De plus, l’hydrure de magnésium est une substance très sûre et peut être stockée sans risque, par exemple, dans une cave, et le magnésium lui-même est un métal facilement disponible et bon marché.
Une compréhension incomplète du processus
« Les recherches sur l’incorporation de l’hydrogène dans le magnésium se poursuivent depuis des décennies, mais elles n’ont pas abouti à des solutions qui peuvent compter sur une utilisation plus large », déclare le Professeur Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), physicien théoricien.
« Une source de problèmes est l’hydrogène lui-même. Cet élément peut efficacement pénétrer la structure cristalline du magnésium, mais seulement lorsqu’il est présent sous forme d’atomes individuels. Pour l’obtenir à partir de l’hydrogène moléculaire typique, un catalyseur suffisamment efficace pour rendre le processus de migration de l’hydrogène dans le matériau rapide et énergétiquement viable est nécessaire. Tout le monde a donc cherché un catalyseur répondant aux conditions ci-dessus, malheureusement sans grand succès. Aujourd’hui, nous savons enfin pourquoi ces tentatives étaient vouées à l’échec. »
Un nouveau modèle pour comprendre le processus
Le Professeur Lodziana a développé un nouveau modèle des processus thermodynamiques et électroniques se produisant dans le magnésium en contact avec les atomes d’hydrogène. Le modèle prédit que lors de la migration des atomes d’hydrogène, des grappes d’hydrure de magnésium localement, thermodynamiquement stables sont formées dans le matériau.
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Aux frontières entre le magnésium métallique et son hydrure, des changements dans la structure électronique du matériau se produisent, et ce sont ces changements qui jouent un rôle significatif dans la réduction de la mobilité des ions hydrogène. En d’autres termes, la cinétique de la formation de l’hydrure de magnésium est principalement déterminée par les phénomènes à son interface avec le magnésium. Cet effet n’avait jusqu’à présent pas été pris en compte dans la recherche de catalyseurs efficaces.
Des expériences complémentaires
Le travail théorique du physicien complète les expériences réalisées dans le laboratoire suisse de Dübendorf. Ici, la migration de l’hydrogène atomique dans une couche de magnésium pur pulvérisé sur du palladium a été étudiée dans une chambre à vide ultra-haute.
L’appareil de mesure était capable d’enregistrer les changements d’état de plusieurs couches atomiques externes de l’échantillon à l’étude, causés par la formation d’un nouveau composé chimique et les transformations associées de la structure électronique du matériau. Le modèle proposé par le chercheur de l’IFJ PAN nous permet de comprendre pleinement les résultats expérimentaux.
Vers une nouvelle recherche de catalyseur optimal
Les réalisations du groupe de physiciens suisses-polonais ouvrent non seulement la voie à une nouvelle recherche d’un catalyseur optimal pour l’hydrure de magnésium, mais expliquent également pourquoi certains des catalyseurs précédemment trouvés montraient une efficacité supérieure à celle attendue.
« Il y a beaucoup à suggérer que le manque de progrès significatif dans le stockage de l’hydrogène dans le magnésium et ses composés était simplement dû à notre compréhension incomplète des processus impliqués dans le transport de l’hydrogène dans ces matériaux. Pendant des décennies, nous avons tous cherché de meilleurs catalyseurs, seulement pas là où nous aurions dû chercher. Maintenant, de nouveaux résultats théoriques et expérimentaux permettent de penser à nouveau avec optimisme à de nouvelles améliorations des méthodes d’introduction de l’hydrogène dans le magnésium », conclut le Professeur Lodziana.
Légende illustration : La migration de l’hydrogène dans une couche de magnésium pur a été étudiée par spectroscopie électronique dans la chambre à ultra-vide de Dübendorf.
Article : « Why Hydrogen Dissociation Catalysts do not Work for Hydrogenation of Magnesium » – DOI: 10.1002/advs.202304603
