Le tamis moléculaire d'hydrure de manganèse pour le stockage pratique de l'hydrogène pourrait coûter environ 5 fois moins que les réservoirs de 700 bars

Une équipe internationale de chercheurs a développé un tamis moléculaire d'hydrure de manganèse qui peut être facilement synthétisé à partir de précurseurs peu coûteux et démontre une performance d'adsorption en excès réversible de 10,5 % en poids et 197 kgH2m-3 à 120 bar à température ambiante sans perte d'activité après 54 cycles .

L'équipe prévoit que des estimations raisonnables des coûts de production et de la perte de performances dues à la mise en œuvre du système entraînent des coûts totaux de stockage d'énergie environ 5 fois moins chers que ceux des réservoirs de 700 bars, ouvrant potentiellement la porte à une adoption accrue de l'hydrogène comme vecteur énergétique. Un article en libre accès sur leurs travaux est publié dans la revue RSC Energy & Environmental Science.

Pour l'acceptation future par le marché des véhicules à pile à combustible à hydrogène ou des appareils portables, un système et une infrastructure de stockage d'hydrogène efficaces, peu coûteux et pratiques adaptés à toutes les applications doivent encore être développés. Pour atteindre une autonomie supérieure à 500 km dans un véhicule à pile à combustible, il faut environ 5 kg d'hydrogène. Dans les coûteuses bouteilles d'hydrogène gazeux non conformes de 700 bars en fibre de carbone, qui sont utilisées dans les véhicules à hydrogène de première génération d'aujourd'hui, 5 kg d'hydrogène occupent un volume d'environ 125 L, ce qui impose des contraintes indésirables à la conception automobile.

Un système de stockage d'hydrogène à base de matériaux donne la possibilité de stocker l'hydrogène à des pressions plus basses avec des exigences de gestion thermique simplifiées qui peuvent réduire la complexité et les coûts du système à bord et de l'infrastructure. Alors que certains hydrures métalliques approchent des niveaux de performance pratiques, des problèmes de gestion de la chaleur contrecarrent encore leurs applications.

… Ainsi, pour faciliter la mise en œuvre à grande échelle des dispositifs à pile à combustible, un matériau est nécessaire qui possède des capacités de stockage gravimétriques et volumétriques élevées dans des conditions ambiantes, et qui soit à la fois économique à produire et ne nécessite pas une gestion thermique poussée pour faire le plein. Un tel matériau pourrait également présenter une alternative possible aux batteries Li dans les appareils portables, où la hausse des coûts et la demande de stockage d'énergie sont préoccupantes.

Nous présentons ici un tamis moléculaire d'hydrure de manganèse (KMH-1 = Kubas Manganese Hydride - 1) qui peut être préparé en quelques étapes simples à partir de précurseurs peu coûteux et possède des performances de stockage d'hydrogène qui, même lorsque les estimations sur la mise en œuvre du système sont prises en considération, peuvent être suffisant pour atteindre ou dépasser les objectifs ultimes du système du Département américain de l'énergie (DOE) de 6,5 % en poids et 50 kgH2/m3 pour 5 kg d'hydrogène.

Représentation schématique de la formation de nanostructures de KMH-1 par un mécanisme de modélisation de micelles inverses attendu de l'auto-assemblage dans un milieu non polaire. Skipper et al.

Dans un article de 2012 (Skipper et al.), les chercheurs ont noté que :

… une enthalpie de liaison matériau de stockage-hydrogène comprise entre 20 et 30 kJ mol−1 donnerait le meilleur équilibre entre la capacité de stockage et l'énergie nécessaire pour libérer l'hydrogène. Afin d'obtenir une enthalpie dans cette plage, des métaux peuvent être incorporés dans les matériaux de stockage, auxquels H2 peut se lier à la manière de Kubas.

Une interaction Kubas s compatible avec un allongement de la liaison H – H sans rupture et implique un don σ de l'orbitale de liaison σ H – H remplie dans une orbitale d vide d'un métal, et un don en retour π simultané d'une orbitale remplie orbitale métallique d dans l'orbitale anti-liaison σ * vacante de la molécule H2.

Ceci est similaire à la liaison synergique décrite par le modèle Dewar – Chatt – Duncanson pour l'interaction, par exemple, du CO avec les métaux de transition. La fabrication de matériaux à l'état solide qui utilisent l'interaction de Kubas pour stocker l'hydrogène est un grand défi car il est difficile de synthétiser un matériau qui a à la fois une forte concentration de sites de liaison à faible valence et à faible coordination (les métaux de transition à l'état solide préfèrent être 6 coordonnées dans la plupart des cas), poids léger et suffisamment de porosité pour permettre à l'hydrogène de se diffuser à travers la structure.

Les chercheurs ont utilisé des sites de liaison Kubas spécifiquement adaptés dans un réseau d'hydrure de manganèse poreux amorphe qui agit comme son propre dissipateur thermique intrinsèque à l'échelle nanométrique, ce qui rend les exigences de gestion de la chaleur externe très limitées, voire inutiles.

Le matériau stocke l'hydrogène de manière réversible dans des conditions ambiantes et, comme il est thermodynamiquement neutre, il ne nécessitera pas d'ingénierie approfondie pour être utilisé dans le stockage à bord, dans une grande variété d'appareils portables et même pour le transport de grandes quantités (remorque tubulaire ou bateau), tandis qu'au permettant en même temps une diminution cruciale de la complexité et du coût de l'infrastructure de support.Antonelli et al.

Ressources

David M Antonelli, Michel Trudeau, Nikolas Kaltsoyannis, Juergen Eckert, Jan Peter Peter Embs, Leah Morris, James Hales et Peter Georgiev (2018) "Un tamis moléculaire d'hydrure de manganèse pour le stockage pratique de l'hydrogène dans des conditions ambiantes" Science de l'énergie et de l'environnement doi : 10.1039 /C8EE02499E

Tuan KA Hoang et David M. Antonelli (2009) "Exploiting the Kubas Interaction in the Design of Hydrogen Storage Materials" Advanced Materials, 21(18), 1787–1800 doi : 10.1002/adma.200802832

Publié le 11 décembre 2018 dans Hydrogène, Stockage d'hydrogène, Matériaux | Lien permanent | Commentaires (9)