Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont simulé les réactions de stockage d’hydrogène dans un matériau prometteur et découvert pourquoi l’absorption d’hydrogène ralentit lorsque le matériau absorbe l’hydrogène, fournissant des informations qui pourraient être utilisées pour des améliorations.
L’amélioration du stockage de l’hydrogène dans les matériaux à l’état solide dépend d’une meilleure compréhension des réactions chimiques en plusieurs étapes qui se déroulent à des interfaces complexes. À ces interfaces, le matériau se transforme de ne contenant pas d’hydrogène en une phase saturée d’hydrogène lorsque ses unités moléculaires constitutives réagissent et se lient avec l’hydrogène et se réarrangent structurellement. Des transformations analogues régissent une variété de contextes de stockage d’énergie chimique et électrochimique, des matériaux de stockage d’hydrogène aux batteries.
Pour révéler les mécanismes sous-jacents impliqués dans l’hydrogénation du diborure de magnésium (MgB2), une équipe de scientifiques du LLNL a utilisé des simulations de dynamique moléculaire. Ils ont découvert que les ions magnésium (Mg2+) entraînent la polarisation électrique des unités moléculaires et la redistribution de charge essentielle pour séparer le bore (B) du matériau MgB2 d’origine et permettre la liaison séquentielle de l’hydrogène aux atomes B pour former la phase Mg(BH4)2 saturée en hydrogène. . Plus précisément, les ions Mg2+ proches polarisent les unités BHX, permettant à l’atome de bore central chargé positivement d’attirer et de se lier aux anions hydrogène, qui sont chargés négativement par des interactions avec Mg2+. La recherche paraît dans la revue Matériaux appliqués et interfaces ACS.
L’analyse a en outre révélé une explication possible du ralentissement de l’absorption d’hydrogène dans MgB2 lors de la formation de Mg(BH4)2, ce qui empêche une hydrogénation complète sans température et pression élevées dans les expériences. Le bore contenu dans les feuillets hexagonaux de MgB2 est moins stable, et donc plus susceptible de se lier à l’hydrogène lorsque l’environnement local est pauvre en Mg. Cependant, à mesure que le matériau se transforme en Mg(BH4)2, les surfaces du matériau MgB2 restant deviennent plus riches en Mg, ce qui ralentit l’hydrogénation.
« Nos simulations capturent les voies de réaction dans MgB2 qui conduisent à l’absorption d’hydrogène », a déclaré le physicien et auteur du LLNL, Keith Ray. « Espérons que cette compréhension permettra de poursuivre les recherches pour débloquer une hydrogénation rapide à des températures et des pressions plus basses. »
Parmi les autres auteurs du LLNL figurent ShinYoung Kang, Liwen Wan, Sichi Li, Tae Wook Heo, Jonathan Lee, Alexander Baker et Brandon Wood.
Keith G. Ray et al, Comprendre la chimie de l’hydrogénation aux bords réactifs MgB2 à partir de la dynamique moléculaire ab initio, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2022). DOI : 10.1021/acsami.1c23524