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Aug 22, 2023

Trouver de l'or avec une solution mystérieuse moléculaire pour une énergie propre potentielle

Une équipe de recherche dirigée par Penn State a révélé le mécanisme moléculaire à la base d’un phénomène appelé débordement d’hydrogène. Cette compréhension pourrait conduire à un stockage de l’hydrogène plus efficace et efficient pour

Une équipe de recherche dirigée par Penn State a révélé le mécanisme moléculaire à la base d’un phénomène appelé débordement d’hydrogène. Cette compréhension pourrait conduire à un stockage plus efficace et efficient de l’hydrogène pour une utilisation d’énergie propre. Les méthodes actuelles nécessitent beaucoup d’énergie et d’espace pour stocker l’hydrogène sous forme liquide. Crédit : Hirun/Getty Images. Tous droits réservés.

31 août 2023

Par Ashley WennersHerron

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — Les retombées de l’hydrogène sont exactement ce à quoi cela ressemble. Les petites nanoparticules métalliques ancrées sur un oxyde thermiquement stable, comme la silice, constituent une classe majeure de catalyseurs, qui sont des substances utilisées pour accélérer les réactions chimiques sans être elles-mêmes consommées. La réaction catalytique se produit généralement sur le métal réactif – et coûteux –, mais sur certains catalyseurs, des équivalents semblables à des atomes d’hydrogène se répandent littéralement du métal vers l’oxyde. Ces espèces d’hydrogène sur oxyde sont appelées « débordement d’hydrogène ».

Décrite pour la première fois en 1964, cette curiosité a récemment attiré davantage d'attention en tant que voie potentielle pour exploiter l'hydrogène à des fins d'énergie propre ; cependant, cela n'a pas beaucoup progressé, selon Bert Chandler, professeur de génie chimique et de chimie à Penn State. Cela est dû en grande partie au fait que, même si les chercheurs ont pu identifier les retombées de l’hydrogène depuis près de 60 ans, personne n’a été en mesure de les quantifier et de décrire le mécanisme qui sous-tend le phénomène – jusqu’à présent.

Avec un peu de chance et beaucoup de travail, a déclaré Chandler, une équipe de recherche dirigée par Penn State a découvert comment et pourquoi le débordement d'hydrogène se produit et a fourni la première mesure quantitative du processus. Ils ont publié leurs résultats dans Nature Catalysis.

Selon Chandler, ces travaux offrent l’opportunité de mieux comprendre et de développer l’activation et le stockage de l’hydrogène. Le stockage conventionnel de l’hydrogène nécessite des quantités importantes d’énergie pour maintenir l’hydrogène suffisamment froid pour rester liquide. Cependant, grâce à leur système unique d’or sur titane, l’équipe de recherche a démontré qu’ils peuvent briser de manière efficace, efficiente et réversible les molécules d’hydrogène en atomes d’hydrogène – un processus nécessaire pour induire un débordement d’hydrogène – à des températures plus élevées qui nécessitent moins d’énergie.

"Nous sommes désormais en mesure d'expliquer comment fonctionne le débordement de l'hydrogène, pourquoi il fonctionne et ce qui le motive", a déclaré Chandler, auteur correspondant du journal. « Et, pour la première fois, nous avons pu le mesurer – c'est la clé. Une fois que vous l’avez quantifié, vous pouvez voir comment il change, comprendre comment le contrôler et comment l’appliquer à de nouveaux problèmes.

Dans les systèmes à débordement d’hydrogène, l’hydrogène gazeux réagit pour se diviser en équivalents d’atomes d’hydrogène – un proton et un électron, mais dans un arrangement légèrement différent de leur disposition typique. Dans ce système, les protons adhèrent à la surface du matériau tandis que les électrons pénètrent dans la bande de conduction proche de la surface de l'oxyde semi-conducteur. Les chercheurs ont déclaré qu'ils espéraient apprendre à les utiliser pour tester des applications chimiques plus avancées telles que la conversion des atomes pour les utiliser comme carburant propre et le stockage de l'hydrogène, selon Chandler.

"La pièce semi-conductrice est importante car les équivalents d'atomes d'hydrogène ont leurs protons à la surface et leurs électrons à la surface - ils sont toujours proches les uns des autres, mais séparés par une surface conductrice", a déclaré Chandler, expliquant que cette petite séparation évite de payer un gros prix. pénalité énergétique généralement nécessaire pour la séparation des charges. « Pour presque tous les systèmes d'adsorption, vous devez disposer d'une adsorption thermique favorable pour surmonter la perte d'énergie nécessaire pour placer une molécule de gaz dans un solide par adsorption. C’est entropiquement défavorable.

L'entropie représente l'énergie thermique indisponible nécessaire pour faire avancer un processus. En d’autres termes, l’entropie est une dispersion d’énergie vers des sous-états, comme la glace qui fond dans l’eau lorsque l’énergie nécessaire pour maintenir les molécules à l’état solide n’est pas disponible. Les énergies nécessitent un équilibre, a déclaré Chandler, et mesurer la contribution de l'entropie à l'équilibre est presque impossible dans ces systèmes.