Des chercheurs suggèrent que l’utilisation de structures métalliques organiques pourrait rendre le stockage de l’hydrogène plus sûr et plus pratique.
La puissance de l’hydrogène a suscité une attention significative ces dernières années en tant que source d’énergie propre et incroyablement efficace. Cependant, comme toutes les technologies émergentes, la puissance de l’hydrogène doit relever certains défis techniques notables. Parmi ceux-ci, le stockage représente l’un des plus grands obstacles, car il limite l’implémentation de l’hydrogène de manière pratique, sûre et généralisée.
De nombreux chercheurs ont envisagé les structures métalliques organiques (MOF) comme des solutions potentielles. Ces matériaux répondent à plusieurs des défis liés au stockage de l’hydrogène.
Un réservoir de stockage d’hydrogène au Kennedy Space Center. Image utilisée avec l’aimable autorisation de NASA/Ben Smegelsky
Défi du stockage de l’hydrogène
La consommation mondiale de combustibles fossiles devrait augmenter de 56 % d’ici 2040, mais les méthodes traditionnelles de production d’énergie ne suffiront pas à répondre aux demandes énergétiques croissantes et à la décarbonisation. En revanche, l’hydrogène, connu pour sa haute valeur calorifique et ses propriétés non polluantes, est un candidat très prometteur pour une source d’énergie renouvelable.
Plus précisément, la densité énergétique de l’hydrogène de 33,3 kW h kg⁻¹ signifie qu’une très petite quantité de cette substance peut générer d’énormes quantités d’énergie utilisable. Cependant, la faible densité volumétrique de l’hydrogène (environ 1/10 000 de celle de l’eau) rend le stockage difficile, car cela nécessite une compression ou une liquéfaction énergivore pour le stockage et le transport. De plus, l’hydrogène doit être stocké à des pressions extrêmement élevées ou à des températures cryogéniques en raison de sa faible température critique (−239,9 °C) et de sa forte volatilité dans des conditions standard (0 °C, 1 atm).
Bien que des méthodes de stockage physiques et chimiques, telles que les réservoirs à haute pression, la liquéfaction cryogénique et l’adsorption solide, soient couramment utilisées, elles restent inefficaces, dangereuses et peu pratiques pour un stockage et un transport généralisés.
Pourquoi utiliser des structures métalliques organiques ?
Une stratégie plus efficace consiste à développer des matériaux légers avec de grandes surfaces spécifiques qui peuvent rapidement et réversiblement adsorber et libérer de l’hydrogène dans des conditions proches de l’ambiante. La densité du matériau doit être comparable ou supérieure à celle de l’hydrogène liquide pour assurer une libération et une utilisation efficaces de l’hydrogène. En théorie, l’adsorption de l’hydrogène se produit à la surface de matériaux microporeux de faible densité via des forces de dispersion faibles (adsorption physique), rendant la capacité d’adsorption directement dépendante de la surface spécifique du matériau.
Les matériaux avec des surfaces plus grandes peuvent contenir de plus grandes quantités de gaz comme l’hydrogène. Parmi les candidats potentiels, les MOF et les carbones activés de faible densité avec de grandes surfaces sont particulièrement prometteurs pour des applications de stockage de l’hydrogène. Cependant, les MOF sont généralement plus poreux que n’importe quel carbone poreux.
Méthodes de stockage de l’hydrogène. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Department of Energy
Les MOF sont hautement appréciés pour leur surface spécifique exceptionnelle et leurs structures chimiques adaptables. Composés d’ions métalliques liés par des ligands organiques, les MOF forment de nombreux micropores qui facilitent l’adsorption de l’hydrogène. Ils capturent et retiennent l’hydrogène grâce à divers mécanismes d’attraction intermoléculaire, y compris les forces de van der Waals et les interactions électrostatiques, permettant une adsorption moléculaire sélective au sein de leurs structures poreuses. Les MOF peuvent également être synthétisés par des méthodes solvothermiques ou hydrothermiques simples, avec des structures modulables obtenues en modifiant leurs éléments constitutifs.
Bien que de nombreux MOF aient été développés pour le stockage de l’hydrogène, leur performance reste optimale à basse température. Atteindre une capacité de stockage suffisante dans des conditions ambiantes et à pression modérée reste un défi significatif.
Vers un avenir plus propre
À mesure que les systèmes énergétiques mondiaux évoluent, les MOF représentent une solution prometteuse pour le stockage de l’hydrogène. La recherche en cours et les améliorations progressives dans la conception des MOF indiquent un chemin croissant vers un avenir où les avantages du stockage de l’hydrogène pourront être réalisés à l’échelle mondiale.