Repenser le stockage de l’hydrogène liquide à l’aide de réseaux métallo-organiques (MOF)

Des chercheurs de l’UNIST, de l’Ewha Womans University, de la Technical University of Munich (TUM) et de l’Institut Laue-Langevin (ILL) rapportent dans Nature Communications une augmentation de plus de trois fois du temps de stockage modélisé, tout en atteignant jusqu’à 97 % de la capacité volumétrique théorique de l’hydrogène liquide.

Hydrogène liquide et MOF

L’hydrogène liquide (LH₂) est particulièrement intéressant pour le transport d’énergie sur de longues distances en raison de sa forte densité énergétique volumique. Cependant, même les réservoirs très bien isolés ne peuvent empêcher totalement la chaleur de pénétrer. À mesure que le liquide se réchauffe, l’hydrogène s’évapore et la pression augmente, entraînant des pertes par évaporation (« boil-off ») pendant le stockage et le transport.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Hyunchul Oh, de l’UNIST, a étudié si des matériaux poreux pouvaient contribuer à limiter ces pertes. L’équipe a utilisé des réseaux métallo-organiques (MOF, metal-organic frameworks) — des matériaux cristallins extrêmement poreux — pour capter l’hydrogène qui s’évapore et retarder sa libération à mesure que la chaleur pénètre dans le réservoir.

Les MOF sont constitués de réseaux de pores de taille nanométrique capables d’adsorber l’hydrogène sur leurs surfaces internes. À des températures cryogéniques, les interactions entre les molécules d’hydrogène et les parois des pores contribuent à maintenir le gaz confiné, ralentissant ainsi l’augmentation de la pression. Cette approche vient compléter l’isolation conventionnelle : au lieu de chercher uniquement à limiter la quantité de chaleur entrant dans le réservoir, elle agit également sur la manière dont l’hydrogène réagit lorsque la chaleur y pénètre.

La question essentielle était de déterminer si cet avantage se faisait au détriment de la capacité de stockage. En effet, un matériau poreux occupe un volume qui pourrait autrement être utilisé pour stocker de l’hydrogène liquide. Les chercheurs ont donc comparé deux MOF présentant des structures très différentes : l’IRMOF-20, une structure rigide dotée d’un volume poreux important, et le MIL-53(Al), une structure flexible dont les pores se dilatent et se contractent à mesure que l’hydrogène est adsorbé.

L’IRMOF-20 a présenté un compromis particulièrement favorable. Une fois prise en compte la place occupée par le matériau, le système conservait environ 97 % de la capacité volumétrique de l’hydrogène liquide pur. Cela s’explique par le fait que l’hydrogène confiné dans les pores atteignait une densité suffisamment élevée pour compenser une grande partie du volume occupé par le MOF.

Les chercheurs ont ensuite modélisé l’effet de ces matériaux sur les pertes par évaporation dans un réservoir d’hydrogène liquide de taille adaptée au transport. Dans les conditions d’isolation sous vide partiel étudiées, il était prévu que l’hydrogène liquide pur soit entièrement consommé au bout d’environ 64 jours. Avec l’IRMOF-20, cette durée atteignait environ 221 jours, soit plus de trois fois plus longtemps.

Le MIL-53(Al) présentait un comportement différent. Il retenait plus fortement l’hydrogène lorsque la température augmentait, mais sa capacité volumétrique ne représentait qu’environ 53 % de celle de l’hydrogène liquide. Cette différence met en évidence un choix essentiel dans la conception de matériaux poreux destinés au stockage cryogénique de l’hydrogène : un volume poreux plus important favorise la capacité de stockage, tandis qu’un confinement plus important peut améliorer la rétention thermique.

En prenant en compte simultanément le volume des pores, la densité de l’hydrogène et son comportement lors de la désorption, nous avons constaté que les matériaux poreux pourraient réduire les pertes par évaporation tout en préservant une grande partie de la capacité de stockage nécessaire au transport de l’hydrogène liquide. Ces calculs représentent toutefois une limite supérieure théorique idéalisée. Des travaux supplémentaires seront donc nécessaires pour déterminer dans quelle mesure ces performances peuvent être reproduites dans des systèmes de réservoirs pratiques.

Hyunchul Oh (UNIST)

Le rôle des neutrons

Les neutrons sont particulièrement bien adaptés à l’étude des excitations rotationnelles quantiques des molécules de H₂, car l’hydrogène possède une forte section efficace de diffusion neutronique. De plus, la diffusion inélastique des neutrons permet d’étudier directement les mouvements moléculaires, sans être soumise aux règles de sélection optique qui limitent les spectroscopies infrarouge et Raman.

Jitae Park (TUM)

Le spectre rotationnel du parahydrogène solide présente une raie rotationnelle très fine à 14,7 meV. Les variations de la position de cette raie lors de l’interaction avec différents matériaux hôtes peuvent être utilisées pour sonder la nature du potentiel d’interaction.

Lorsque l’hydrogène interagit avec une surface, la position et la forme de la raie rotationnelle dépendent fortement de l’environnement local. Ces caractéristiques font de la transition rotationnelle de H₂ une sonde particulièrement sensible des interactions entre l’hydrogène et son environnement.

Le spectromètre IN1-Lagrange de l’ILL est particulièrement bien adapté à l’étude de l’H₂ confiné dans des matériaux poreux. Il combine une large gamme de transferts d’énergie, un flux neutronique élevé et une bonne résolution en énergie, permettant de mesurer les variations de position, de forme et de dédoublement de la transition rotationnelle de H₂. Ces caractéristiques en font une sonde sensible des interactions entre les molécules d’H₂ et la surface du matériau.

Mónica Jiménez-Ruiz (ILL)

Ce texte a été légèrement adapté à partir du communiqué de presse mis à disposition par l’équipe des relations publiques de l’UNIST.

Référence: Jaewoo Park, Junsu Ha, Hong Kyu Lee, et al., "MOF-assisted cryo-adsorption delivers near-liquid volumetric capacity and suppressed boil-off for LH₂ transport," Nat. Commun. 2041-1723 (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-77420-4

Instruments ILL : IN1-Lagrange

Contact à l'ILL : Mónica Jiménez-Ruiz

Institutions participants à cette recherche : UNIST, Ewha Womans University, TUM