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Le stockage de l'hydrogène dans du carbone nanoporeux
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Le développement d'une économie viable basée sur l'Hydrogène dépend de nombre de barrières scientifiques et technologiques. En particulier pour une utilisation automobile, le Department of Energy (DoE) américain a identifié trois défis majeurs pour l'adoption de véhicules à l'hydrogène : la réduction des coûts de production, la réduction des coûts fabrication des piles à combustibles, et enfin trouver des moyens pour un stockage permettant une autonomie des véhicules sur plusieurs centaines de kilomètres.
Des trois défis, le plus difficile à résoudre est celui du stockage à bord à cause des contraintes imposées au système : coût, sécurité, limitations en masse et volume, opération sur une large plage de températures, temps de chargement, réutilisation des installations actuelles, etc.
Le problème pour le stockage est bien évidemment que le H2 aux conditions de température et de pression ambiante, contrairement à l'essence et d'autres combustibles à alcool, a une très faible densité d'énergie par unité de volume. Sous des conditions extrêmes à très basse température ou très haute pression, la difficulté de stockage est trop importante pour l'utilisation en automobile, donc les regards se tournent vers des matériaux absorbants. Malheureusement aucun matériau actuellement ne rejoint les objectifs de 2010 fixés par le DoE : 60g H2/kg du réservoir et 45g H2/Litre du réservoir.
Les matériaux carbone apparaissent relativement inefficaces à température ambiante. Cependant, leurs capacités de stockage peuvent être grandement améliorées grâce à une fonctionnalisation de surface. L'objectif est de créer à la fois des pores nanométriques qui augmentent drastiquement la surface du matériau et créent des puits de potentiel plus profonds, et de doper le carbone avec des éléments (Boron, Fer, Nitrogène...) qui renforcent les énergies de liaisons. C'est ce que des chercheurs de l'University of Missouri à Columbia de l'Alliance for Collaboraive Research in Alternative Fuel Technology, ont fait.
En combinant à la fois un très fort ratio surface poids et en trouvant le moyen d'augmenter les énergies de liaison entre les molécules de H2 et le substrat, l'équipe de chercheurs menée par Carlos Wexler et Peter Pfiefer a montré d'excellents résultats pour le stockage de l'hydrogène par physisorption. Les chercheurs ont développé des petites granules de carbone nanoporeux basé sur un déchet agricole qui permet d'atteindre des capacités de stockage de 100g H2/kg (90 bar et 83K soit -190°C) et de 20g H2/kg (90 bar, 303K soir 29°C).
L'équipe de chercheurs a montré expérimentalement que la surface qu'ils ont atteinte sur ces granules est de 3100m2 par gramme, parmi lesquels 40 % de la surface est comprise dans les pores de 0.7nm et 60 % dans des pores supérieures à 1nm, avec deux énergies de liaison distinctes et importantes suivant la taille des pores (9kJ/mol et 5kJ/mol).Les objectifs fixés par le DoE sont en bonne voie d'être atteints.
Dans leur étude, les chercheurs mettent aussi en évidence grâce à des simulations informatiques et la théorie de la thermodynamique, deux conditions de l'absorption de l'hydrogène différentes : une absorption mobile et une localisée, c'est-à-dire deux situations opposées dans lesquelles les molécules de H2 bougent ou ne bougent pas sur la surface. La compétition entre ces deux situations affecte la capacité de stockage, et en les contrôlant par fonctionnalisation de surface, les chercheurs pensent pouvoir doubler les capacités de stockage.
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