Le désordre atomique dans les matériaux de surface est la clé d’un meilleur stockage de l’hydrogène

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Disordered Boron Surface Structure
Structure de surface de bore désordonnée

Structure de surface de bore désordonnée du diborure de magnésium sondée par modélisation atomistique. Crédit : LLNL

Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert que le désordre atomique dans certains systèmes de stockage d’hydrogène à base de bore peut potentiellement améliorer le taux d’absorption d’hydrogène.

On pense généralement que les surfaces de borure métallique et leurs variantes monocouches – connues sous le nom de borophènes – présentent un arrangement régulier d’atomes à des températures basses à modérées. L’équipe du LLNL a prouvé que dans de nombreux cas, ces atomes se désorganisent en fait dynamiquement : un phénomène surprenant contrairement à la compréhension conventionnelle du comportement de la plupart des surfaces à l’état solide. Le désordre de surface signifie que chaque site atomique a des propriétés locales différentes. Selon les recherches de l’équipe, certains de ces sites peuvent faciliter la dissociation des molécules d’hydrogène, ce qui devrait à son tour accélérer l’activation du matériau pendant le stockage de l’hydrogène.

Les résultats ont également des implications pour d’autres applications. En plus du stockage d’hydrogène, les borures métalliques et les borophènes peuvent être utilisés pour la supraconductivité, l’électrocatalyse, l’optoélectronique et comme revêtements pour la résistance thermique et à la corrosion. Dans plusieurs de ces applications, la surface spécifique du bore atome les arrangements jouent un rôle démesuré dans la détermination de la performance globale.

Lors de l’exécution in silico conception de matériaux dont les fonctions – stockage d’hydrogène, performances supraconductrices, réactivités électrocatalytiques – sont étroitement liées à leurs configurations de surface, une comparaison de pommes et d’oranges se produit si l’hypothèse de surfaces statiques et ordonnées ne tient pas.

« Ce que nous avons trouvé ici est un exemple exceptionnel, montrant que les surfaces d’un matériau cristallin peuvent en réalité être amorphes et dynamiques. Nous devons revoir rigoureusement certaines de nos hypothèses de base dans la communauté des sciences des surfaces », a déclaré Sichi Li, scientifique des matériaux du LLNL, auteur principal d’un article paru dans Communication Nature.

« Si les surfaces sont cristallines et ordonnées, chaque site est fondamentalement le même. Les surfaces désordonnées créent toute une gamme de réactivités de surface. Si nous pouvons utiliser cette capacité, cela pourrait être une nouvelle approche pour personnaliser la fonctionnalité de surface pour un stockage et une conversion d’énergie plus rapides », a déclaré Brandon Wood, scientifique des matériaux et co-auteur de LLNL, qui dirige l’équipe LLNL sur le stockage d’hydrogène à base de matériaux.

Référence : « Désordre dynamique spontané des borophènes dans MgB2 et borures métalliques connexes » par Sichi Li, Harini Gunda, Keith G. Ray, Chun-Shang Wong, Penghao Xiao, Raymond W. Friddle, Yi-Sheng Liu, ShinYoung Kang, Chaochao Dun, Joshua D. Sugar, Robert D. Kolasinski , Liwen F. Wan, Alexander A. Baker, Jonathan RI Lee, Jeffrey J. Urban, Kabeer Jasuja, Mark D. Allendorf, Vitalie Stavila et Brandon C. Wood, 1er novembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26512-4

Les autres auteurs de LLNL incluent Keith Ray, Penghao Xiao, ShinYoung Kang, Alexander Baker et Jonathan Lee.

Le travail est financé par le ministère de l’Énergie, l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, l’Office des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible, par l’intermédiaire du Consortium de recherche avancée sur les matériaux de stockage d’hydrogène (HyMARC).

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