Un assemblage d’azote catalyse le clivage des liaisons carbone-hydrogène (C-H) dans les LOHC et facilite la désorption des molécules d’hydrogène. Crédit : Département américain de l’énergie, laboratoire Ames.
Un nouveau catalyseur du laboratoire Ames du ministère américain de l’énergie et de ses collaborateurs permet d’extraire facilement et efficacement l’hydrogène des matériaux de stockage de l’hydrogène. Le processus se déroule à des températures douces et dans des conditions atmosphériques normales, sans utiliser de métaux ou d’additifs. Cette percée offre une nouvelle solution prometteuse qui répond à un défi de longue date pour l’adoption de l’hydrogène comme carburant pour les transports et d’autres applications.
Le carburant hydrogène est une solution potentielle dans l’effort national pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Selon le DOE, l’amélioration le stockage de l’hydrogène est essentiel pour faire progresser l’hydrogène pile à combustible d’hydrogène. Au laboratoire Ames, les scientifiques Long Qi et Wenyu Huang étudient l’extraction de l’hydrogène à partir d’une catégorie de matériaux appelés transporteurs d’hydrogène organique liquide, ou LOHC.
L’une des façons de stocker l’hydrogène est chimique. Le stockage chimique repose sur matériaux qui réagissent avec les molécules d’hydrogène et les stockent sous forme d’atomes d’hydrogène, comme dans les CHL. Ce type de stockage permet de stocker de grandes quantités d’hydrogène dans de petits volumes à température ambiante. Cependant, pour que l’hydrogène soit utile, des catalyseurs sont nécessaires pour activer les LOHC et libérer l’hydrogène. Ce processus est appelé déshydrogénation.
Qi a expliqué qu’il existe actuellement d’autres méthodes de déshydrogénation, mais qu’elles posent certains problèmes. Certaines méthodes reposent sur des catalyseurs à base de métaux, qui impliquent des métaux critiques du groupe du platine. L’approvisionnement de ces métaux est limité et coûteux. D’autres méthodes nécessitent des additifs pour libérer l’hydrogène. Les additifs ne sont pas réutilisables et entraînent un coût global plus élevé car ils doivent être ajoutés à chaque cycle.
Le catalyseur mis au point par Qi et Huang ne nécessite ni métaux ni additifs. “C’est assez simple”, a déclaré Qi. “En gros, il suffit d’ajouter le catalyseur sans métal dans le LOHC, et ensuite l’hydrogène gazeux sort tout simplement, même à température ambiante”.
Le catalyseur est composé d’azote et de carbone. La clé de son efficacité réside dans la structure de l’azote. L’activité catalytique peut avoir lieu à température ambiante en raison des nitrogènes graphitiques uniques, étroitement espacés, qui constituent l’assemblage de l’azote et qui se sont formés au cours du processus de carbonisation. L’assemblage d’azote catalyse le clivage des liaisons carbone-hydrogène (C-H) dans les LOHC et facilite la désorption des molécules d’hydrogène. Ce processus est ce qui rend le catalyseur plus efficace que les autres catalyseurs utilisés.
Qi et Huang ont expliqué que, sur la base des objectifs du DOE en matière de technologies automobiles, la capacité de stockage de l’hydrogène doit être proche de 6,5 % en poids. Ils sont optimistes quant à l’avenir de leurs recherches pour atteindre cet objectif avec des molécules ayant une plus grande capacité.
“Cette recherche aura un impact positif sur l’objectif de réduction des émissions de dioxyde de carbone”, a déclaré Huang, “et nous devrons développer des systèmes catalytiques plus efficaces.”
Sur 2019, le secteur des transports représentait 29 % des émissions globales de dioxyde de carbone aux États-Unis. Qi a déclaré que la facilité et l’efficacité de ce processus pourraient profiter au secteur des transports à l’avenir. Les avantages proviennent de la combinaison de l’utilisation de LOHC et d’un catalyseur comme celui-ci. Cette combinaison permet d’extraire l’hydrogène utilisable du stockage à un coût moindre et dans des conditions plus douces que les technologies actuelles. Une plus grande densité d’hydrogène peut fournir une plus grande charge pour les piles à combustible à hydrogène qui pourraient alimenter les véhicules sur de plus grandes distances.
Qi et Huang ont tous deux souligné que cette recherche est une étape importante pour soutenir la mission nationale de devenir neutre en carbone d’ici 2050 en fournissant un moyen facile et efficace de déshydrogéner les LOHC.
Cette recherche est plus amplement discutée dans l’article “Metal-free carbocatalyst for room temperature acceptorless dehydrogenation of N-heterocycles” qui a été publié dans Science Advances.
Référence : “Metal-free carbocatalyst for room temperature acceptorless dehydrogenation of N-heterocycles” par Haitao Hu, Yunqing Nie, Yuewen Tao, Wenyu Huang, Long Qi et Durga Renfeng Nie, 28 janvier 2022. Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abl9478
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