Nanoparticules d’aluminium simples pour une production rapide et efficace d’hydrogène à partir de l’eau


Nanoparticules d'aluminium simples pour une production rapide et efficace d'hydrogène à partir de l'eau

Les bulles d’hydrogène gazeux sont générées par la réaction de l’eau avec un composite d’aluminium et de gallium. Crédit photo : Amberchan et al.

L’aluminium est un métal hautement réactif qui peut extraire l’oxygène des molécules d’eau pour créer de l’hydrogène gazeux. Son utilisation généralisée dans les produits mouillés ne présente pas de danger, car l’aluminium réagit immédiatement avec l’air et forme couche d’oxyde d’aluminium qui bloque les réactions ultérieures.

Pendant des années, les chercheurs ont essayé de trouver des moyens efficaces et peu coûteux d’utiliser la réactivité de l’aluminium pour créer de l’hydrogène propre. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’UC Santa Cruz montre qu’un composite de gallium et d’aluminium facile à fabriquer crée des nanoparticules d’aluminium qui réagissent rapidement avec l’eau à température ambiante pour produire de grandes quantités d’hydrogène. Le gallium a été facilement récupéré pour être réutilisé après la réaction, produisant 90% de l’hydrogène qui pourrait théoriquement être généré en faisant réagir tout l’aluminium dans le composite.

« Nous n’avons besoin d’aucune alimentation électrique, et l’hydrogène bouillonne comme un fou. Je n’ai jamais rien vu de tel », a déclaré Scott Oliver, professeur de chimie à l’UCSC.

Oliver et Bakthan Singaram, professeur de chimie et de biochimie, sont les auteurs correspondants d’un article sur les nouvelles découvertes, publié le 14 février dans Nanomatériaux appliqués.

La réaction de l’aluminium et du gallium avec l’eau est connue depuis les années 1970 et des vidéos de celle-ci sont faciles à trouver sur Internet. Cela fonctionne parce que le gallium, un liquide juste au-dessus de la température ambiante, élimine le revêtement passif d’oxyde d’aluminium et permet un contact direct de l’aluminium avec l’eau. Cependant, la nouvelle étude contient plusieurs innovations et de nouvelles idées qui pourraient conduire à des applications pratiques.







Les bulles d’hydrogène gazeux sont générées par la réaction de l’eau avec un composite d’aluminium et de gallium. Crédit photo : Amberchan et al.

Une demande de brevet américain est en cours pour cette technologie.

Singaram a déclaré que l’étude est née d’une conversation qu’il a eue avec un étudiant, le co-auteur Isai Lopez, qui a regardé des vidéos et expérimenté la création d’hydrogène gallium aluminium dans sa cuisine.

« Il ne l’a pas fait de manière scientifique, alors je l’ai jumelé avec un doctorant pour faire une étude systématique. J’ai pensé que ce serait une bonne thèse pour lui de mesurer la libération d’hydrogène à de différents rapports de gallium et d’aluminium », a déclaré Singaram.

Les études précédentes avaient principalement utilisé des mélanges d’aluminium et de gallium riches en aluminium, ou dans certains cas des alliages plus complexes. Mais le laboratoire de Singaram a découvert que la production d’hydrogène augmentait avec un composé riche en gallium. En fait, le taux de production d’hydrogène était si étonnamment élevé que les chercheurs ont pensé qu’il devait y avoir quelque chose de fondamentalement différent dans cet alliage riche en gallium.

Oliver a suggéré que la formation de nanoparticules d’aluminium pourrait être responsable de l’augmentation de la production d’hydrogène, et son laboratoire disposait de l’équipement nécessaire pour caractériser l’alliage à l’échelle nanométrique. En utilisant la microscopie électronique à balayage et la diffraction des rayons X, les chercheurs ont démontré la formation de nanoparticules d’aluminium dans un composite gallium-aluminium 3:1, qui, selon eux, représente le rapport optimal pour la production d’hydrogène.

Nanoparticules d'aluminium simples pour une production rapide et efficace d'hydrogène à partir de l'eau

La microscopie électronique à balayage du composite aluminium-gallium montre des nanoparticules d’aluminium dans une matrice de gallium. Crédit photo : Amberchan et al.

Dans ce composite riche en gallium, le gallium sert à la fois à dissoudre le revêtement d’oxyde d’aluminium et à séparer l’aluminium en nanoparticules. « Le gallium sépare les nanoparticules et les empêche de s’accumuler en particules plus grosses », a déclaré Singaram. « Les gens ont eu du mal à produire des nanoparticules d’aluminium, et ici nous les produisons dans des conditions normales de pression atmosphérique et de température ambiante. »

La fabrication du composite ne nécessitait rien de plus qu’un simple mélange manuel.

« Notre méthode utilise une petite quantité d’aluminium, ce qui garantit que tout se dissout dans le gallium sous forme de nanoparticules discrètes », a déclaré Oliver. « Cela crée une quantité d’hydrogène beaucoup plus importante, presque complètement par rapport à la valeur théorique basée sur la quantité d’aluminium. Cela facilite également la récupération du gallium pour le réutiliser.

Le composite peut être fabriqué à partir de sources d’aluminium facilement disponibles, y compris des feuilles ou des canettes usagées, et le composite peut être stocké pendant une longue période en le recouvrant de cyclohexane pour le protéger de l’humidité.

Bien que le gallium ne soit pas abondant et relativement cher, il peut être récupéré et réutilisé plusieurs fois sans perdre en efficacité, a déclaré Singaram. Cependant, il reste à voir si ce processus peut être étendu à la production commerciale d’hydrogène.


Étudier le comportement de l’hydrogène dans les alliages d’aluminium


Plus d’information:
Gabriella Amberchan et al, Nanoparticules d’aluminium d’un composite Ga-Al pour la séparation de l’eau et la d’hydrogène, ACS Nanomatériaux Appliqués (2022). DOI : 10.1021/acsanm.1c04331

Fourni par l’Université de Californie – Santa Cruz

Devis: Easy Aluminium Nanoparticles for Rapid, Efficient Hydrogen Generation from Water (18 février 2022) récupéré le 18 février 2022 sur https://phys.org/news/2022-02-easy-aluminium-nanoparticles-rapid-efficient.html

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