Comment stocker votre hydrogène ?
Alliages spéciaux étudiés à PETRA III
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Citez n'importe quelle source d'énergie durable de l'avenir, et les piles à combustible à hydrogène en feront certainement partie. La réaction de l'hydrogène avec l'oxygène pour former de l'eau libère de grandes quantités d'énergie thermique, qui peut être exploitée à de nombreuses fins, notamment pour alimenter les véhicules et produire de l'électricité. Mais la production en masse de piles à combustible à hydrogène se heurte au problème du confinement et de la distribution de l'hydrogène lui-même, car le gaz doit être absorbé à l'intérieur de la pile, car il a une forte tendance à corroder toute une série de matériaux.
L'alliage Cantor a montré un comportement variable en présence d'hydrogène en fonction de la pression de l'environnement. En général, l'alliage a résisté à l'hydrogène corrosif à la pression standard, mais a formé des hydrures à partir de l'hydrogène gazeux à des pressions élevées.
Illustration: Konstantin Glazyrin, DESY
Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des chercheurs de l'université de la Ruhr à Bochum (RUB) et de DESY, a utilisé plusieurs installations expérimentales de premier plan, notamment PETRA III, et des calculs théoriques de pointe pour examiner une classe de matériaux appelés alliages à haute entropie - des mélanges de plusieurs métaux qui donnent des solides robustes et résistants à la corrosion - et la manière dont ils se comportent dans une atmosphère d'hydrogène sous forte pression. Grâce à des études aux rayons X et aux neutrons, l'équipe a pu examiner le comportement complexe de cette classe de matériaux relativement nouvelle avec l'hydrogène atmosphérique. Leurs conclusions sont publiées dans Nature Communications.
L'équipe, dirigée par Kirill Yusenko de la RUB, a étudié un composé appelé alliage de Cantor à haute entropie. Contrairement à la plupart des autres alliages métalliques, qui comprennent jusqu'à quatre métaux élémentaires avec des traces de divers autres éléments, les alliages à haute entropie comprennent des quantités presque égales de cinq éléments métalliques différents ou plus. Synthétisé pour la première fois en 2004 par un groupe de recherche britannique dirigé par le spécialiste des matériaux Brian Cantor, l'alliage Cantor se caractérise par des rapports molaires équivalents entre les éléments métalliques cobalt, chrome, fer, nickel et manganèse. Le solide qui en résulte peut être un concurrent direct de nombreux alliages conventionnels utilisés dans l'industrie moderne et les produits de consommation grâce, entre autres, à son excellente résistance à la corrosion et à ses propriétés mécaniques.
En utilisant la diffusion des rayons X à PETRA III en Allemagne et à l'ESRF en France, ainsi que des études de diffusion des neutrons à J-PARC au Japon, l'équipe de recherche a découvert que lorsque l'alliage Cantor est exposé à de l'hydrogène gazeux et placé sous une pression et une chaleur extrêmes, il émerge avec des hydrures - des atomes d'hydrogène dissociés - liés à la structure de l'alliage. Toutefois, la même étude montre que sous des pressions et des températures typiques des produits industriels et de consommation, l'alliage Cantor n'absorbe pas l'hydrogène, ce qui contrecarre fortement la corrosion.
"Cet article apporte d'importantes pièces au puzzle concernant la résistance de l'alliage Cantor à l'absorption d'hydrogène, qui est l'un des principaux facteurs de la corrosion par l'hydrogène", déclare Konstantin Glazyrin, scientifique à la ligne de faisceau P02.2 de PETRA III sur les conditions extrêmes et premier auteur de la publication. "Nous espérons que notre nouvelle approche méthodologique et nos résultats stimuleront la recherche sur les matériaux et inspireront des applications concrètes dans le domaine de l'économie de l'hydrogène".
Toutefois, la présence d'hydrures est susceptible d'apporter un élément intéressant à l'histoire. "Les alliages à haute entropie et leurs hydrures restent une énigme", explique Kirill Yusenko. "D'une part, certains d'entre eux peuvent permettre une absorption suffisante pour être utilisés comme support de pile à combustible. Dans le cas de l'alliage Cantor, nous constatons que la résistance à la corrosion et l'absorption élevée d'hydrogène sont incompatibles avec les exigences des piles à combustible, qui sont censées stocker d'importantes quantités d'hydrogène. En revanche, l'alliage Cantor possède des propriétés qui lui confèrent la résistance requise pour le stockage de l'hydrogène dans un contexte plus large, en particulier pour son confinement et sa distribution dans divers environnements complexes et exigeants, tels que les étages de fusées réutilisables et les moteurs de voitures."
Dans une prochaine étape, l'équipe continuera à explorer d'autres systèmes à haute entropie composés de différents matériaux afin d'étudier les différences de comportement sous pression et en présence d'hydrogène. "Les systèmes à haute entropie font l'objet d'une attention croissante", déclare Fritz Körmann de la RUB, un autre coauteur de l'article. "Ils sont importants pour la science fondamentale, mais aussi pour leurs diverses applications, qui peuvent contribuer à façonner un avenir technologiquement avancé et durable.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Konstantin Glazyrin, Kristina Spektor, Maxim Bykov, Paulo H. B. Carvalho, Weiwei Dong, Fritz Körmann, Asami Sano-Furukawa, Takanori Hattori, Doreen C. Beyer, Martin Sahlberg, Yuji Ikeda, Ji Hun Yu, Yang Sangsun, Jai-Sung Lee, Shrikant Bhat, Michael Hanfland, Blazej Grabowski, Sergiy Divinski, Kirill V. Yusenko; "Synthesis of high-entropy hydride from the cantor alloy (fcc–CoCrFeNiMn) at extreme conditions"; Nature Communications, Volume 17, 2026-3-17
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