L'hydrogène et les hydrocarbures aromatiques polycycliques
Le projet HPAH (Hydrogen interaction with polycyclic aromatic hydrocarbons – from interstellar catalysis to hydrogen storage) a étudié et démontré l'activité catalytique de ces hydrocarbures pour la formation d'hydrogène dans les conditions du milieu interstellaire. Au passage, il a mis au point une méthode de fonctionnalisation par l'hydrogène, pour créer une ouverture dans la bande interdite du graphène. Les chercheurs ont associé des calculs théoriques et l'utilisation d'hydrocarbures aromatiques polycycliques. Ils ont utilisé la spectroscopie de désorption thermique pour suivre l'ajout des atomes d'hydrogène aux molécules d'hydrocarbures, les rendant ainsi surhydrogénées. Les expériences ont montré que l'exposition longue du coronène (un hydrocarbure aromatique polycyclique) à un faisceau d'hydrogène atomique conduit à une surhydrogénation étonnamment élevée, approchant la limite théorique d'un atome d'hydrogène supplémentaire par atome de carbone. La formation d'hydrocarbures aromatiques polycycliques avec une telle surhydrogénation a d'importantes conséquences pour la formation de l'hydrogène moléculaire dans le milieu interstellaire. Des calculs montrent en effet qu'il est possible d'obtenir une formation efficace de gaz hydrogène en combinant des réactions de surhydrogénation et d'abstraction impliquant des hydrocarbures aromatiques polycycliques et leurs formes surhydrogénées. Les chercheurs ont utilisé le deutérium (un isotope de l'hydrogène) pour suivre les échanges entre les atomes d'hydrogène intégrés à la molécule d'hydrocarbure aromatique polycyclique, et les atomes du faisceau de deutérium. Les mesures ont apporté les preuves de telles réactions d'échange. L'observation des réactions d'échange entre les atomes d'hydrogène et de deutérium a apporté la première preuve indirecte de l'activité catalytique des molécules d'hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la formation d'hydrogène moléculaire. La microscopie à balayage par effet tunnel a produit des images d'espèces surhydrogénées avec une résolution inférieure à la molécule, permettant de déterminer les sites de réaction de l'hydrogène sur la molécule d'hydrocarbure aromatique polycyclique. Les atomes d'hydrogène réagissent en divers sites. Les chercheurs ont utilisé le graphène comme modèle pour étudier les interactions de l'hydrogène avec de très grands systèmes polycycliques aromatiques. Les travaux ont montré que le substrat soutenant le graphène influence fortement l'hydrogénation. Les mesures par photoémission d'ultraviolets ont montré que la répartition nanométrique de l'hydrogène ouvre une bande interdite d'au moins 450 meV. Les travaux du projet ont donc conduit à la seule méthode pour ouvrir une bande interdite sur une feuille de graphène assez grande pour avoir des applications pratiques.
Mots‑clés
Hydrogène, hydrocarbures aromatiques polycycliques, HPAH, interstellaire, catalyse, graphène
