Les matériaux à semi-conducteurs peuvent stocker et libérer de l'hydrogène en utilisant la lumière du soleil ou des LED.
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L'hydrogène, source d'énergie propre, nécessite un système de stockage hautement fiable et sûr, qui fait actuellement défaut. Le silicate d'hydrogène lamellaire (L-HSi) est un vecteur d'hydrogène solide prometteur, sûr, léger et écoénergétique, présentant un fort potentiel d'application pratique. Ce matériau libère de l'hydrogène lorsqu'il est irradié par des sources de lumière visible de faible intensité, telles que la lumière du soleil ou les LED. Le L-HSi ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche sur les systèmes de transport d'hydrogène.
L'hydrogène est un carburant prometteur qui peut remplacer les combustibles fossiles classiques car il n'émet pas de dioxyde de carbone lors de sa combustion ou de son oxydation et peut être produit à partir de sources très diverses. Cependant, une économie basée sur l'hydrogène nécessite non seulement une production propre, mais aussi un stockage et un transport sûrs et efficaces de cet hydrogène.
Les systèmes actuels présentent plusieurs inconvénients : les réservoirs d’hydrogène comprimé ont une faible densité d’hydrogène et présentent des risques d’explosion, tandis que les réservoirs d’hydrogène liquide nécessitent des températures extrêmement basses et une énergie considérable.
L'ammoniac est un vecteur d'hydrogène liquide bien connu, présentant une densité d'hydrogène élevée, mais sa déshydrogénation nécessite une énergie considérable et pose des problèmes tels que la corrosivité et la toxicité.
Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs se sont tournés vers des matériaux vecteurs d'hydrogène à l'état solide. Malheureusement, la plupart des alliages à l'état solide sont composés de métaux lourds et présentent des capacités gravimétriques en hydrogène limitées.
Dans une percée, une équipe de recherche composée de M. Hirona Ito et du professeur Masahiro Miyauchi de l'Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), de Mme Mio Nakai et du professeur Hideyuki Nakano de l'Université Kindai, et du professeur Takahiro Kondo de l'Université de Tsukuba, au Japon, a découvert un nouveau transporteur d'hydrogène à l'état solide appelé silicane d'hydrogène en couches (L-HSi).
L'hydrogène peut être libéré du L-HSi par irradiation à la lumière visible à température et pression ambiantes. Leurs résultats ont été publiés en ligne dans la revue Advanced Optical Materials .
Le L-HSi est composé de silicium et d'hydrogène dans un rapport 1:1 et présente une capacité gravimétrique en hydrogène élevée de 3,44 % en poids. Contrairement aux systèmes de stockage d'hydrogène conventionnels, il s'agit d'un vecteur d'hydrogène stable à l'état solide qui peut libérer de l'hydrogène par simple exposition à des sources lumineuses de faible intensité comme la lumière du soleil ou les LED.
Les chercheurs ont synthétisé le L-HSi par décalcification du CaSi₂ en réaction avec HCl et ont testé ses propriétés de libération d'hydrogène. Ils ont placé la poudre de L-HSi sous atmosphère d'argon dans un réacteur à flux gazeux et l'ont irradiée avec une lampe au xénon à température et pression ambiantes.
La bande interdite optique du L-HSi est de 2,13 eV, correspondant à une longueur d'onde de 600 nm, qui absorbe la lumière visible. L'éclairage a été allumé 10 minutes après le début de l'expérience et éteint à la 60e minute. Durant l'irradiation, les chercheurs ont clairement observé la formation d'hydrogène gazeux.
Des tests de chauffage supplémentaires en milieu obscur et une analyse spectroscopique détaillée ont confirmé que le dégagement d'hydrogène n'était pas dû à un processus photo thermique, mais plutôt à l'excitation de la bande interdite du L-HSi. Plus précisément, l'hydrogène était libéré lors d'une irradiation à des longueurs d'onde inférieures à 600 nm. Le matériau a présenté un rendement quantique maximal de 7,3 % à 550 nm.
Les chercheurs ont également mené des tests d'irradiation à long terme, où le L-HSi était dispersé dans un milieu organique à l'intérieur du réacteur dispersé. Sous une exposition prolongée à la lumière visible, environ 46,7 % des atomes d'hydrogène liés ont été libérés. L'équipe a également confirmé que l'hydrogène pouvait être produit efficacement à l'aide de sources lumineuses économiques de faible intensité, telles que la lumière du soleil et les LED.
Le L-HSi est un vecteur d'hydrogène solide prometteur qui ouvre de nouvelles perspectives pour un stockage d'hydrogène sûr, léger et écoénergétique. À l'avenir, leurs recherches porteront sur l'amélioration de sa réversibilité et de son adaptabilité à des applications pratiques.