L'hydrogène emprisonné par l’azote

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Publié le mardi 7 juillet 2015 12:39

Des chercheurs, du CEA, du CNRS et des Synchrotrons SOLEIL (Source Optimisée de Lumière d'Énergie Intermédiaire du LURE) et ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), ont découvert, une formule qui possède une structureunique qui pourrait ouvrir de nouvelles voies pour le stockage de l’hydrogène. Ce composé, de formule (N2)6(H2)7, est obtenu par compression des gaz d’hydrogène et d’azote sous une pression qui dépasse 50 GPa, suivie d’une décompression.

Cette réaction entre molécules simples se fait sans catalyseur et génère comme sous produit de l’ammoniac et de l’hydrazine.

Les chercheurs ont étudié différentes concentrations des mélanges N2-H2 sous hautes pressions suivies de dépressions variant de 3 à 7GPa en utilisant une cellule à enclumes de diamant (figure 1).

Fig 1 : La cellule, ou presse, à enclumes de diamant permet de soumettre un matériau à des pressions très élevées. L’échantillon sous étude est confiné radialement par un joint métallique puis comprimé entre deux monocristaux de diamant.

Les faibles dimensions de l’échantillon pressé entre les deux enclumes de diamant entraînent une très forte pression sur le mélange. L’échantillon subit, ainsi, différentes pressions et est analysé, in situ, sur une large bande du spectre électromagnétique grâce à la transparence du diamant. Cette expérience a donné lieu à un diagramme de phase P-H2-N2 (figure 2) qui permet de connaître les états du mélange étudié sous température ambiante.

Le diagramme montre deux composés stœchiométriques stables (droites verticales en tirets), dont la composition ne varie pas quand la pression est supérieure à 5Gpa.

Fig.2 Diagramme de phase du mélange binaire N₂-H₂à température ambiante.

Le composé (N2)6(H2)7 découvert possède une structure de type clathrate. Le clathrate est un composé d’inclusion formé de molécules hôtes qui emprisonnent une molécule invitée. La particularité de ce composé réside dans les liaisons faibles qui relient entre elles les atomes des molécules hôtes (ici l’azote). Ces liaisons, de type van der waals, permettent de former de larges cages d’azote entourant 14 molécules d'hydrogène.

Fig.3. Structure cristalline du composé stoechiométrique (N₂)₆(H₂)₇.
Les molécules d’hydrogène H₂ sont représentées en gris et les molécules de diazote N₂ petites haltères bleues

Cette découverte pourrait avoir un grand intérêt pour la synthèse de nouveaux matériaux à haute densité d'énergie, ou possédant une très bonne capacité de stockage de l'hydrogène.

De plus, ce procédé est qualifié de propre, puisqu’il n’utilise que la pression pour induire la réaction entre l’hydrogène et l’azote, et génère des sous-produits utilisables dans d’autres industries sans aucun traitement supplémentaire (par exemple l'hydrazine, est utilisé en particulier comme carburant de fusées)

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Pour en savoir plus

www.cea.fr