Pour réduire les émissions de CO2, la transition énergétique d’un système énergétique basé sur le carbone vers un système plus durable basé sur l’énergie hydrogène est nécessaire de toute urgence. Cependant, la nature de l’hydrogène (telle que sa faible densité volumétrique, son inflammabilité et sa fragilisation) rend son utilisation en tant que source d’énergie généralisée extrêmement difficile. Par conséquent, la clé pour établir une société basée sur l’hydrogène réside dans son utilisation sûre et efficace.
Une façon d’y parvenir consiste à utiliser la technologie des transporteurs d’hydrogène organique liquide (LOHC), qui peut stocker et transporter en toute sécurité de l’hydrogène en grande quantité grâce à une liaison chimique.
La technologie LOHC offre une solution en permettant de stocker l’hydrogène dans des composés organiques liquides qui restent stables à température et pression ambiantes, un peu comme l’essence ou le diesel. Cette technologie rationalise également le transport de l’hydrogène en utilisant l’infrastructure de combustibles fossiles existante, réduisant ainsi les coûts associés à la distribution de l’hydrogène par rapport à d’autres méthodes de stockage de l’hydrogène.
Des efforts importants ont été consacrés au développement de catalyseurs et de nouvelles conceptions de réacteurs pour améliorer l’efficacité de déshydrogénation et d’hydrogénation des systèmes basés sur LOHC. Cependant, l’approche la plus efficace consiste à remédier aux limites inhérentes au matériau LOHC lui-même.
La clé de la technologie LOHC repose sur le développement des composés organiques appropriés pour le stockage de l’hydrogène. Les caractéristiques des matériaux LOHC sont cruciales pour déterminer des facteurs clés tels que la capacité de stockage de l’hydrogène, la cinétique de réaction, la consommation d’énergie pendant le processus de déshydrogénation/hydrogénation et la réversibilité.
Dans des études précédentes, l’accent mis sur la capacité de stockage de l’hydrogène (> 6 % en poids) et les propriétés physicochimiques (une large plage de liquides allant de moins de zéro à 300 °C) pour les supports LOHC aromatiques a entraîné un manque de diversité des matériaux, limitant le potentiel d’amélioration des performances. .
Une équipe de recherche, dirigée par le Dr Jihoon Park de l’Institut coréen de recherche en technologie chimique (KRICT), a développé des matériaux LOHC avancés et a activement exploré de nouveaux composés LOHC pour augmenter la diversité des matériaux LOHC afin d’améliorer les performances.
Les résultats sont publié dans le Journal de génie chimique.
L’équipe s’est concentrée sur l’optimisation des matériaux LOHC grâce à une approche d’ingénierie moléculaire, en repensant leur structure moléculaire pour surmonter ses limites. En 2018, l’équipe de recherche a développé un nouveau matériau LOHC (MBP, 2-(n-méthylbenzyl)pyridine) qui a amélioré les performances de déshydrogénation en ajoutant un atome de N dans le cycle benzénique du benzyltoluène.
Cependant, grâce à une combinaison d’études expérimentales et théoriques, l’équipe de recherche a fait une découverte révolutionnaire : les groupes méthyle (-CH3), auparavant considérés comme ayant peu d’impact, ont joué un rôle crucial dans l’amélioration des performances du matériau LOHC. Contrairement aux matériaux LOHC (MBP) précédents qui existaient sous forme de mélanges d’isomères, l’équipe de recherche a suggéré une nouvelle méthode de synthèse pour un matériau LOHC pur (2-benzyl-6-méthylpyridine, BMP) avec un contrôle précis de la position du groupe méthyle.
Les nouveaux matériaux LOHC (BMP) ont augmenté les taux de stockage et de libération d’hydrogène de 206 % et 49,4 %, respectivement, par rapport à ceux du MBP.
De plus, l’équipe de recherche a développé un nouveau candidat LOHC, le benzyl-méthylbenzyl-benzène (BMB), en réorganisant le groupe méthyle du dibenzyltoluène, l’un des matériaux LOHC commerciaux les plus prometteurs, afin de surmonter les limites de la cinétique de réaction lente en raison de sa structure chimique. .
Le BMB présente un taux d’hydrogénation 150 % plus rapide que le DBT à 150°C et libère 170 % d’hydrogène en plus par rapport au DBT à 270°C. En outre, l’équipe de recherche a découvert le mécanisme de déshydrogénation par lequel les matériaux LOHC N-hétérocycliques interagissent avec divers métaux actifs dans les catalyseurs pour faciliter l’extraction de l’hydrogène.
Le Dr Jihoon Park a déclaré : « Notre recherche se concentre sur l’optimisation des structures LOHC, permettant un contrôle précis du placement des groupes méthyle en tant que groupes fonctionnels dans le matériau LOHC, ouvrant ainsi un nouveau potentiel pour les systèmes LOHC. En outre, ces résultats devraient influencer la conception des prochains matériaux de stockage d’hydrogène de nouvelle génération, ouvrant la voie à une société basée sur l’énergie hydrogène plus sûre et plus efficace.
Plus d’informations :
Kwanyong Jeong et al, Benzyl-méthylbenzyl-benzène : Amélioration des performances de stockage et de libération de l’hydrogène du transporteur d’hydrogène organique liquide à base de dibenzyltoluène, Journal de génie chimique (2024). DOI : 10.1016/j.cej.2024.150927