Première observation d'un empilement super-dense de molécules d'hydrogène sur une surface

Publié par Redbran le 26/09/2022 à 13:00
Source: CNRS INC
Dans un article paru dans Nature Chemistry, des scientifiques* décrivent la formation d'une monocouche super-dense d'hydrogène sur de la silice mésoporeuse hautement ordonnée près de la température d'ébullition. Les études théoriques et les simulations confirment les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentales de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) inhabituellement élevée dans la couche adsorbée qui devrait considérablement augmenter la capacité volumétrique des systèmes de stockage d'hydrogène cryogénique.


© Rémy Guillet-Nicolas

L'hydrogène (H2) est actuellement considéré comme un vecteur énergétique (Tout ce qui est capable de véhiculer de l’énergie peut être considéré comme un vecteur...) prometteur dans un monde (Le mot monde peut désigner :) nécessitant des énergies renouvelables. En effet, il présente la densité d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) la plus élevée de tous les carburants chimiques (141 MJ/kg), soit trois fois plus que l'essence (46 MJ/kg). Cependant, sa faible densité volumétrique limite son utilisation généralisée dans les transports (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou...) par exemple, car les options de stockage actuelles nécessitent beaucoup d'espace. A température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante, un kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international...) d'hydrogène gazeux occupe un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) de 12 000 litres (12 mètres cubes)...

Dans les véhicules à pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...), l'hydrogène est stocké sous très haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) (700 fois la pression atmosphérique) où il devient liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), ce qui réduit son volume à 25 litres par kilogramme de H2. Mais l'hydrogène liquide nécessite des températures extrêmement basses puisque son point (Graphie) d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps...) de l'hydrogène est de moins 253°C.

Des équipes de scientifiques* viennent de montrer que l'hydrogène pouvait se condenser sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) à très basse température, près du point d'ébullition, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) une monocouche super dense dépassant la densité de l'hydrogène liquide d'un facteur de près de trois, ce qui réduit le volume à seulement 5 litres par kilogramme de H2. Résultat surprenant car deux fois plus de molécules H2 que d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) du gaz noble (On appelle gaz nobles, ou plus couramment gaz rares, les éléments chimiques du groupe 18...) argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) couvrent la même surface alors que les deux atomes sont à peu près de la même taille. Les scientifiques constatent que les molécules H2 se serrent étroitement les unes contre les autres pour former cette couche super dense. Des expériences de cryo-adsorption à haute résolution sur de la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) mésoporeuse hautement ordonnée présentant des caractéristiques de pores et de surface bien définies ont permis de déterminer le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de molécules condensées à la surface du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...), et la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) inélastique des neutrons leur a permis de suivre la formation de cette couche d'hydrogène bidimensionnelle, confirmant pour la première fois in situ, l'existence de cet hydrogène super dense.

Des études théoriques confirment les observations expérimentales de la densité d'hydrogène anormalement élevée dans la couche adsorbée. Les scientifiques expliquent ce phénomène par les forces d'attraction de la surface bien plus fortes que la répulsion entre deux molécules d'hydrogène, entrainant un empilement d'hydrogène super dense sur la surface de silice mésoporeuse. Au-delà de l'intérêt fondamental que présente la formation de cette couche d'hydrogène super dense à basse température près du point d'ébullition est d'un intérêt fondamental, ce résultat ouvre également des pistes pour améliorer la capacité volumétrique des systèmes de stockage d'hydrogène cryogénique dans les nombreuses applications qu'il pourrait rapidement trouver dans le domaine des transports.

Note:
* Ce travail est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine....) d'une collaboration entre l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) pour les systèmes intelligents, la Technische Universität Dresden, la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, le Laboratoire national d'Oak Ridge et le Laboratoire catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...) et spectrochimie (CNRS/Normandie université/ENSICAEN).


Référence:
Rafael Balderas-Xicohténcatl, Hung-Hsuan Lin, Christian Lurz, Luke Daemen, Yongqiang Cheng, Katie Cychosz Struckhoff, Remy Guillet-Nicolas, Gisela Schütz, Thomas Heine, Anibal J. Ramirez-Cuesta, Matthias Thommes & Michael Hirscher.
Formation of a super-dense hydrogen monolayer on mesoporous silica
Nature Chemistry 2022
https://www.nature.com/articles/s41557-022-01019-7
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