Les nanoparticules de palladium (vert) sont stabilisées par un noyau d’iridium (rouge). L’hydrogène peut s’accumuler à leur surface comme une sorte de glaçage au chocolat – et peut être libéré à nouveau par chauffage. Crédit : DESY, Andreas Stierle
Une approche innovante pourrait transformer les nanoparticules en simples réservoirs de stockage d’hydrogène. Le gaz hautement volatil est considéré comme un vecteur énergétique prometteur pour l’avenir, qui pourrait fournir des carburants respectueux du climat pour les avions, les navires et les camions, par exemple, ainsi que permettre la production d’acier et de ciment respectueux du climat – selon la façon dont l’hydrogène gazeux est généré. Cependant, le stockage de l’hydrogène est coûteux : soit le gaz doit être conservé dans des réservoirs pressurisés, jusqu’à 700 bars, soit il doit être liquéfié, c’est-à-dire le refroidir à moins 253 degrés. Celsius. Les deux procédures consomment de l’énergie supplémentaire.
Une équipe dirigée par DESYAndreas Stierle a jeté les bases d’une méthode alternative : stocker l’hydrogène dans de minuscules nanoparticules faites de palladium, un métal précieux, d’un diamètre de seulement 1,2 nanomètre. Le fait que le palladium puisse absorber l’hydrogène comme une éponge est connu depuis un certain temps. “Cependant, jusqu’à présent, extraire à nouveau l’hydrogène du matériau posait problème”, explique Stierle. « C’est pourquoi nous essayons des particules de palladium qui ne font qu’environ un nanomètre de diamètre. » Un nanomètre est un millionième de millimètre.
Pour s’assurer que les minuscules particules sont suffisamment robustes, elles sont stabilisées par un noyau en iridium, un métal précieux rare. De plus, ils sont rattachés à un graphène support, une couche extrêmement mince de carbone. « Nous sommes capables de fixer les particules de palladium au graphène à des intervalles de seulement deux nanomètres et demi », rapporte Stierle, qui dirige le DESY NanoLab. « Il en résulte une structure régulière et périodique. L’équipe, qui comprend également des chercheurs des universités de Cologne et de Hambourg, a publié ses conclusions dans la revue American Chemical Society (ACS) ACS Nano.
La source de rayons X PETRA III de DESY a été utilisée pour observer ce qui se passe lorsque les particules de palladium entrent en contact avec l’hydrogène : essentiellement, l’hydrogène adhère à la surface des nanoparticules, presque aucune ne pénètre à l’intérieur. Les nanoparticules peuvent être représentées comme des chocolats : une noix d’iridium au centre, enveloppée dans une couche de palladium, plutôt que de massepain, et enrobée de chocolat à l’extérieur par l’hydrogène. Pour récupérer l’hydrogène stocké, il suffit d’ajouter une petite quantité de chaleur ; l’hydrogène est rapidement libéré de la surface des particules, car les molécules de gaz n’ont pas à sortir de l’intérieur du cluster.
« Ensuite, nous voulons savoir quelles densités de stockage peuvent être atteintes en utilisant cette nouvelle méthode », explique Stierle. Cependant, certains défis doivent encore être surmontés avant de passer aux applications pratiques. Par exemple, d’autres formes de structures de carbone pourraient être un support plus approprié que le graphène – les experts envisagent d’utiliser des éponges de carbone, contenant de minuscules pores. Des quantités substantielles de nanoparticules de palladium devraient tenir à l’intérieur de celles-ci.
Référence : « Hydrogen Solubility and Atomic Structure of Graphene Supported Pd Nanoclusters » par Dirk Franz, Ulrike Schröder, Roman Shayduk, Björn Arndt, Heshmat Noei, Vedran Vonk, Thomas Michely et Andreas Stierle, 11 octobre 2021, ACS Nano.
DOI : 10.1021/acsnano.1c01997
