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

Le débordement d’hydrogène est 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 conclusions dans Catalyse naturelle.

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 le quantifiez, 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 selon une disposition légèrement différente 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 des 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.

Le débordement d’hydrogène a été découvert pour la première fois dans un système platine sur oxyde de tungstène en 1964 et a depuis lors été observé dans différents systèmes.

Chandler a expliqué que, jusqu’à récemment, les chercheurs pensaient que les équivalents des atomes d’hydrogène étaient fortement liés à la couche de nanoparticules et qu’il fallait plus d’énergie thermique pour rompre ces liaisons et produire davantage de retombées. Mais la plupart des systèmes facilitant les débordements d’hydrogène sont compliqués, car les débordements peuvent sembler varier leur force de liaison à la fois avec les nanoparticules et avec le substrat d’oxyde semi-conducteur. Chandler a surnommé cette « adsorption pétillante », décrivant la liaison floue et collante qui dissimule la véritable adsorption et masque ce qui est à l’origine du débordement : l’énergie thermique ou l’entropie.

« Nous avons trouvé comment mesurer cette adsorption par débordement dans un système différent : de l’or sur de l’oxyde de titane », a déclaré Chandler, notant que l’or catalyse l’hydrogène différemment de nombreux autres métaux. « L’or ne nécessite presque aucune énergie thermique pour initier une réaction avec l’hydrogène, et il active uniquement cette réaction à l’interface avec le substrat d’oxyde de titane. Cela signifie qu’aucun hydrogène ne s’adsorbe sur l’or, nous pouvons donc quantifier tous les débordements produits car tout se passe au substrat, sans laisser de pétillement sur l’or. »

Sans le pétillement, les chercheurs ont réalisé que l’adsorption était faible, ce qui « va à l’encontre de ce que tout le monde savait », a déclaré Chandler. Sans l’énergie thermique comme variable significative, les chercheurs ont déterminé que seule l’entropie pouvait conduire les atomes de l’or vers le substrat.

« Nous avons eu beaucoup de chance avec notre choix de système, que nous avons choisi parce que nous étions déjà intéressés par le fonctionnement de l’or comme catalyseur », a déclaré Chandler, expliquant que les chercheurs précédents pouvaient mesurer la quantité adsorbée avec précision, car une faible adsorption sur l’oxyde masquait la quantité. de débordement du métal.

« Nous n’avons pas inventé une nouvelle chimie ; nous avons simplement collecté les données. Il nous a fallu six ans de mesures et de re-mesures – lorsque vous faites une affirmation exceptionnelle, il vaut mieux avoir des preuves exceptionnelles – mais nous avons comblé ce trou dans notre compréhension : l’entropie. entraîne les retombées de l’hydrogène.

Les chercheurs ont déclaré qu’ils envisageaient désormais d’étudier les types de matériaux susceptibles de faciliter un meilleur stockage de l’hydrogène. Selon Chandler, ces travaux constituent une étape vers le développement d’énergies propres et un exemple frappant du fonctionnement du processus scientifique.

« La science est un processus d’autocorrection : si vous trouvez quelque chose qui n’a pas de sens, vous travaillez pour le comprendre », a déclaré Chandler. « Nous connaissons les retombées depuis longtemps, mais personne n’avait trouvé le bon système pour les quantifier et les comprendre. Nous avons collecté les données et trouvé comment expliquer le phénomène. Il s’avère que l’équilibre des énergies que nous utilisons n’est pas toujours évident, et l’entropie peut conduire à des choses auxquelles nous ne nous attendons pas. »