Une équipe suisse-polonaise de physiciens expérimentaux et théoriciens a trouvé la réponse à la question de savoir pourquoi les précédentes tentatives d'utilisation de l'hydrure de magnésium pour stocker l'hydrogène se sont révélées insatisfaisantes et pourquoi elles pourraient réussir à l'avenir.
Dans les rares voitures à hydrogène, le carburant est stocké comprimé à une pression d’environ 700 atmosphères. Ce n’est ni la méthode la moins chère ni la plus sûre, et cela n’a pas grand chose à voir avec l’efficacité : il n’y a que 45 kilogrammes d’hydrogène dans un mètre cube. Le même volume peut contenir 70 kilogrammes d’hydrogène s’il est préalablement condensé.
Le processus de liquéfaction nécessite de grandes quantités d’énergie et la température extrêmement basse, autour de 20 Kelvin, doit alors être maintenue tout au long du stockage. Une alternative pourrait être des matériaux appropriés ; par exemple, l'hydrure de magnésium, qui peut contenir jusqu'à 106 kilogrammes d'hydrogène par mètre cube.
L'hydrure de magnésium fait partie des matériaux les plus simples testés pour la capacité de stockage de l'hydrogène. Sa teneur peut atteindre 7,6% (en poids). Les appareils à hydrure de magnésium sont donc assez lourds et conviennent donc principalement aux applications stationnaires. Cependant, il est important de noter que l’hydrure de magnésium est une substance très sûre et peut être stockée sans risque ; par exemple, dans un sous-sol, et le magnésium lui-même est un métal facilement disponible et bon marché.
« La recherche sur l'incorporation de l'hydrogène dans le magnésium dure depuis des décennies, mais elle n'a pas abouti à des solutions pouvant compter sur une utilisation plus large », a déclaré Zbigniew Lodziana, physicien théoricien et co-auteur d'un article dans Science avancéeoù la dernière découverte est présentée.
« L’une des sources de problèmes est l’hydrogène lui-même. Cet élément peut pénétrer efficacement dans la structure cristalline du magnésium, mais uniquement lorsqu’il est présent sous forme d’atomes uniques. Pour l’obtenir à partir d’hydrogène moléculaire typique, il faut un catalyseur suffisamment efficace pour rendre le processus de migration de l’hydrogène dans le matériau rapide et énergétiquement viable », a déclaré Lodziana. « 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.
Lodziana a développé un nouveau modèle des processus thermodynamiques et électroniques se produisant dans le magnésium en contact avec des atomes d'hydrogène. Le modèle prédit que lors de la migration des atomes d’hydrogène, des amas locaux d’hydrure de magnésium thermodynamiquement stables se forment dans le matériau. Aux frontières entre le magnésium métallique et son hydrure, des changements dans la structure électronique du matériau se produisent alors, et ces changements jouent un rôle important dans la réduction de la mobilité des ions hydrogène.
En d’autres termes, la cinétique de formation de l’hydrure de magnésium est principalement déterminée par des phénomènes à son interface avec le magnésium. Cet effet n’a jusqu’à présent pas été pris en compte dans la recherche de catalyseurs efficaces.
Pour cette étude, la migration de l’hydrogène atomique dans une couche de magnésium pur pulvérisée sur du palladium a été étudiée dans une chambre à ultra-vide. La machine de mesure était capable d'enregistrer les changements d'état de plusieurs couches atomiques externes de l'échantillon étudié, provoqués par la formation d'un nouveau composé chimique et les transformations associées de la structure électronique du matériau. Le modèle proposé par les chercheurs permet de bien comprendre les résultats expérimentaux.
De tels résultats ouvrent la voie à une nouvelle recherche d’un catalyseur optimal pour l’hydrure de magnésium et expliquent pourquoi certains des catalyseurs précédemment découverts ont montré une efficacité plus élevée que prévu.
« De nombreuses raisons suggèrent que l'absence de progrès significatifs dans le stockage de l'hydrogène dans le magnésium et ses composés était simplement due à notre compréhension incomplète des processus impliqués dans le transport de l'hydrogène dans ces matériaux », a déclaré Lodziana. « Depuis des décennies, nous recherchons tous de meilleurs catalyseurs, mais pas là où nous devrions chercher. Aujourd’hui, de nouveaux résultats théoriques et expérimentaux permettent de réfléchir à nouveau avec optimisme aux améliorations futures des méthodes d’introduction de l’hydrogène dans le magnésium.