Les catalyseurs non nobles ouvrent la voie à l’hydrogène abordable

Alors que le monde s’éloigne des combustibles fossiles pour atténuer la crise du réchauffement climatique, l’hydrogène gagne en visibilité comme le ‘carburant du futur’.

Cela s’explique par plusieurs raisons, notamment l’abondance d’eau, un rendement énergétique plus élevé, la production uniquement d’eau comme sous‑produit, et des émissions de gaz à effet de serre (GES) minimales ou nulles. Ces qualités rendent l’hydrogène propre utilisable dans de nombreuses applications telles que le transport, la production d’électricité, le chauffage et l’industrie, y compris l’acier, la chimie et le ciment.

Bien que l’hydrogène montre un énorme potentiel pour décarboner notre société, la plupart du H2 produit aujourd’hui provient du combustible fossile (méthane) lui‑même, entraînant d’importantes émissions de CO₂. Cela signifie qu’il faut des alternatives évolutives pour produire de l’hydrogène vert et propre.

En conséquence, la recherche en cours se concentre sur la recherche de méthodes efficaces et respectueuses de l’environnement pour produire du carburant à base d’hydrogène. 

HER: une voie prometteuse pour la production d’hydrogène vert

L’une des approches prometteuses pour produire de l’hydrogène vert, qui a suscité une attention considérable, est l’électrolyse de l’eau.

Une réaction clé qui se produit lors de l’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène est la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER), un processus fondamental en électrochimie.

L’électrolyse de l’eau consiste simplement à utiliser l’électricité pour séparer l’eau en oxygène (O2) et en hydrogène (H2), offrant une méthode efficace et propre pour produire du carburant à base d’hydrogène à grande échelle.

Grâce à sa faible perte ohmique (qui correspond à l’énergie potentielle perdue sous forme de chaleur lorsque les charges électriques traversent un milieu), à sa haute densité de courant et à son faible taux de traversée des gaz, le passage du processus HER à l’échelle du laboratoire à un électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM) commercial offre une voie durable vers l’hydrogène vert.

Dans l’électrolyse PEM, l’hydrogène est produit en séparant l’eau à l’aide d’électricité et d’un électrolyte polymère solide. Dans ce processus, l’électricité est d’abord appliquée pour séparer les molécules d’eau en ions hydrogène (protons), électrons et oxygène. Les protons traversent ensuite la membrane, un polymère conducteur de protons qui sépare l’anode et la cathode, tandis que les électrons circulent dans un circuit externe.

À l’anode, la molécule d’eau est oxydée, ne produisant que de l’oxygène, des protons et des électrons. À la cathode, les protons et les électrons se combinent pour former du gaz hydrogène.

Cette méthode est utilisée pour produire de l’hydrogène destiné aux piles à combustible, en plus d’être employée dans divers processus industriels tels que la production d’engrais, le raffinage du pétrole et la pétrochimie.

Cependant, le problème réside dans les conditions de travail difficiles, comme l’interface électrolyte‑catalyseur fortement réductrice et acide. Cet environnement oblige les électrolyseurs PEM commerciaux à utiliser une cathode en platine (Pt), qui n’est pas abondante, donc coûteuse, afin de maintenir une haute activité.

Ces conditions sévères rendent ces cathodes (à base de métaux non précieux) inadaptées aux électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM).

L’application à grande échelle du PEM, qui se situe à l’échelle du térawatt, nécessite des catalyseurs bon marché pour remplacer les métaux nobles. Bien que la recherche de cathodes à base de métaux non précieux adaptées à la commercialisation du PEM soit en cours, cela demeure un défi.

Ici, les phosphures de métaux de transition (TMP) ont montré un potentiel en tant que catalyseurs HER, mais leur utilisation pour remplacer les métaux nobles en est encore à ses débuts. Une raison principale est le manque de compréhension de la tolérance dans des conditions de travail difficiles, ainsi que le suivi des rotations des sites actifs pendant le processus de génération d’hydrogène.

Stratégie de reconstruction de surface produit un carburant hydrogène abordable

Récemment, l’utilisation de nanoparticules de CoP comme cathodes a été signalée comme étant facilement intégrée aux électrolyseurs à eau PEM industriels, démontrant leur potentiel d’applications commerciales. 

Cependant, le problème réside dans le passage de la réaction HER d’une expérience de laboratoire à une production commerciale à grande échelle tout en maintenant les coûts bas, ce que la dernière étude a réussi à réaliser.

Selon les résultats publiés dans Advanced Energy Materials¹ en avril 2025, une équipe de chercheurs de l’Université de Tohoku a démontré l’utilisation étendue d’une cathode CoP|F (CoP modifié par le fluor) du laboratoire (0,2 cm²) à un électrolyseur PEM commercial (38 cm²).

En recherchant une performance HER supérieure, les chercheurs ont découvert que la voie de reconstruction de surface peut créer des cathodes à base de métaux non nobles durables qui améliorent le HER.

Ces cathodes sont capables de maintenir leurs performances pendant plus de 300 heures. De plus, le coût calculé par l’équipe s’est rapproché fortement de l’objectif de production d’H2 pour 2026 fixé par le Département de l’Énergie des États‑Unis, soit 2,00 $ par kg d’H2.

Pour accélérer la réaction HER, qui est naturellement lente et inefficace, l’équipe s’est tournée vers les TMP. Les phosphures de métaux de transition sont un métal non précieux économique et durable. C’est un catalyseur prometteur avec une structure électronique unique et une haute activité catalytique, ce qui améliore l’efficacité du HER.

Étant donné que les métaux nobles sont généralement utilisés à cette fin, les chercheurs estiment qu’il existe un manque de connaissances concernant les métaux non nobles qui doit être comblé.

Un catalyseur à base de métal non noble désigne un matériau alternatif qui est économique et abondamment disponible comparé aux métaux nobles. Ces catalyseurs à base de métaux non nobles offrent une réactivité ajustable, ce qui signifie qu’ils peuvent être modifiés selon les besoins pour améliorer la stabilité, la sélectivité et l’activité dans différents processus catalytiques.

Ainsi, l’équipe a préparé le CoP modifié par le fluor, puis a utilisé la spectroscopie d’absorption des rayons X en fonctionnement (XAS) et les mesures Raman pour évaluer ses diverses caractéristiques, telles que la reconstruction de surface et les véritables sites actifs.

Les résultats ont confirmé que l’ajout de fluor au réseau CoP1‑x peut favoriser la rupture des liaisons Co‑P, entraînant la reconstruction d’un cobalt métallique amorphe. La formation de sites de vacance de phosphore (P) à la surface crée davantage de sites actifs, ce qui accélère le HER.

La surface reconstruite présente une haute activité et une bonne tolérance à l’interface électrolyte‑catalyseur acide réductrice. Notamment, lorsqu’elle est utilisée comme cathode dans un électrolyseur PEM commercial, la performance de la cathode CoP|F) est comparable à celle du catalyseur Pt/C avancé à un coût de seulement 2,17 $ par kg H2‑1.

« Ce cobalt reconstruit est très actif, fonctionne en conditions acides et peut maintenir environ 76 W pendant plus de 300 heures », a déclaré Heng Liu, professeur assistant à l’Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). « Nous nous rapprochons d’une méthode abordable pour produire du carburant », a-t-il ajouté, soulignant que le coût n’est que de 17 cents au-dessus de l’objectif de production actuel fixé pour 2026.

Avec ces résultats impressionnants, les chercheurs espèrent offrir une voie de reconstruction de surface vers des cathodes à base de métaux non nobles hautement efficaces, économiques et durables pour les électrolyseurs PEM commerciaux.

Plus important encore, l’installation n’a pas seulement été testée à l’échelle du laboratoire avec trois électrodes, mais a réellement été étendue à une échelle commerciale. Et grâce à cette conception rationnelle de nouvelles cathodes, qui pourraient servir de base à d’autres cathodes à base de métaux non nobles, l’étude comble potentiellement le fossé entre le laboratoire et l’usine.

« Nous pensons toujours à l’objectif final, à savoir que la recherche trouve son chemin dans la vie quotidienne. Cette avancée nous rapproche d’un pas de la conception d’options plus réalistes pour les applications PEM commerciales. »

– Liu

Avancées dans la production d’hydrogène propre

Avec l’émergence de l’hydrogène comme source d’énergie propre et renouvelable prometteuse, l’attention se porte actuellement sur la production efficace d’hydrogène capable de répondre à la demande à l’échelle commerciale, avec un intérêt croissant pour le découpage de l’eau alimenté par l’électricité.

L’électrolyse de l’eau peut être divisée en deux réactions : la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER), où l’eau est réduite à la cathode pour produire de l’hydrogène, et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER), où l’eau est oxydée à l’anode pour produire O2. Dans les deux cas, la catalyse joue un rôle majeur, créant un besoin de catalyseurs très efficaces pour produire H2 et O2 de manière efficiente.

Ce mois‑ci même, dans le cadre d’une autre recherche de l’AIMR, Université de Tohoku, les chercheurs ont proposé un nouveau cadre de catalyseur, offrant une approche potentielle pour une production d’hydrogène peu coûteuse via l’électrolyse de l’eau. L’accent était toutefois mis sur l’OER.

Le matériau se concentre sur du Co3O4 monocristallin mésoporeux (matériaux poreux avec des diamètres de pores de 2 à 50 nm) dopé avec de l’iridium (Ir) atomiquement dispersé, conçu pour l’OER acide.

Bien que connu pour ses performances en OER, l’Ir est rare et coûteux. De plus, l’utilisation efficace de l’iridium tout en maintenant la stabilité représente un défi lors de la mise à l’échelle de la technologie. Ainsi, l’étude propose une solution via un matériau qui maximise l’efficacité au niveau atomique.

Doté d’une structure spinelle mésoporeuse, le catalyseur peut supporter une forte charge d’Ir (13,8 % en poids) sans former de gros agrégats d’iridium, permettant la formation de sites de pont Co‑Ir. Sous des conditions d’OER acide, ces sites ont démontré une haute activité innée.

Pour analyser cela, la recherche a combiné des données expérimentales avec une modélisation computationnelle, suggérant que les intermédiaires oxygène (O*) couvrent entièrement les surfaces de Co3O4. Cela passive généralement les sites Co, mais le dopage à l’Ir réactive les sites tout en renforçant simultanément l’intégrité structurelle du catalyseur.

Cette étude a réduit les pertes d’Ir et de Co à environ un quart et un cinquième, respectivement. De plus, le catalyseur a maintenu ses performances pendant plus de 100 heures.

« L’architecture mésoporeuse joue un rôle crucial. Elle offre de l’espace pour le chargement d’Ir à atome unique et aide à créer un environnement stable pour l’activité catalytique. »

– Professeur Hao Li, responsable de l’étude

L’accent des travaux futurs sera mis sur l’ajustement du niveau de dopage, la mise à l’échelle de leur procédé, puis son intégration dans des systèmes d’électrolyseurs commerciaux.

Une autre étude portant sur un catalyseur iridium économique a noté que les analyses montrent que pour répondre à la demande mondiale d’hydrogène pour le transport via l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM‑WE), les matériaux d’anode à base d’iridium doivent être inférieurs à 0,05 mgIr/cm². Cependant, les meilleurs catalyseurs actuellement disponibles sur le marché, fabriqués à partir d’oxyde d’iridium, contiennent environ 40 fois cette quantité.

La bonne nouvelle est que des solutions sont déjà en cours de développement. Le projet Kopernikus P2X du groupe Heraeus crée un nouveau nanocatalyseur à base d’iridium, composé d’une fine couche d’oxyde d’iridium (IrO2) sur un support de dioxyde de titane (TiO₂) à l’échelle nanométrique.

Le catalyseur P2X montre une stabilité remarquable même en fonctionnement à long terme et offre de meilleures performances que le référentiel plus cristallin.

En plus de travailler sur diverses techniques pour rendre la production d’hydrogène rentable, évolutive et respectueuse de l’environnement, les chercheurs du monde entier explorent également des moyens de le stocker efficacement, aidant ainsi l’hydrogène propre à être adopté dans le monde réel.

Plus tôt cette année, une équipe de scientifiques soutenue par le Département de l’Énergie des États‑Unis a démontré une nouvelle méthode de stockage et de libération de l’hydrogène volatil. Cela répond à l’un des principaux défis de l’utilisation de l’hydrogène comme source de carburant : le coût élevé et l’inefficacité du stockage et du transport en raison de sa faible densité et de sa nature explosive.

Ce que les scientifiques ont fait ici, c’est développer un type de carburant d’aviation à base de lignine capable de lier chimiquement l’hydrogène sous forme liquide stable. Cette technologie, selon le professeur Bin Yang de la Washington State University, « pourrait permettre un stockage d’hydrogène efficace et à haute densité dans un carburant d’aviation durable et facile à manipuler, éliminant le besoin de réservoirs pressurisés pour le stockage et le transport. »

Le nouveau procédé utilise des réactions chimiques qui génèrent des carbones aromatiques et de l’hydrogène à partir du carburant d’aviation expérimental à base de lignine développé en laboratoire. Présente dans les plantes, la lignine est un polymère naturel et le deuxième matériau le plus abondant sur Terre.

Dans les prochaines étapes, les chercheurs concevront un catalyseur piloté par l’IA afin d’améliorer les réactions, les rendant plus efficaces et rentables.

Entreprise innovante

Cummins Inc (CMI )

Le fournisseur mondial de solutions énergétiques, Cummins Inc., opère à travers divers segments, notamment Engine, Components, Distribution, Power Systems et Accelera. 

L’entreprise explore et utilise largement la technologie des moteurs à hydrogène pour contribuer à un avenir durable. Cummins est entrée pour la première fois dans l’économie de l’hydrogène en 2019 avec l’acquisition de Hydrogenics, un fabricant de piles à combustible et d’électrolyseurs à hydrogène. Depuis, elle a réalisé des progrès continus.

Cela comprend le lancement de moteurs à hydrogène ICE de 15 L et de moteurs à gaz naturel de 15 L. Le portefeuille de Cummins comprend également des solutions de stockage d’hydrogène et le développement de la technologie des piles à combustible.

Il y a quelques années, Accelera a également lancé des opérations de production d’électrolyseurs dans le Minnesota, son premier site de production d’électrolyseurs aux États‑Unis.

« L’électrolyse à grande échelle pour produire de l’hydrogène vert est un élément clé de la décarbonisation des transports et de l’industrie. »

– Amy Davis, présidente d’Accelera à l’époque.

En mars 2025, entre‑temps, Cummins est devenue membre fondateur de la Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), une initiative créée par des experts du milieu universitaire, du gouvernement et de l’industrie du transport pour promouvoir les moteurs à combustion interne à hydrogène (H2‑ICE) et leur application dans les moteurs marins ainsi que les véhicules et équipements routiers et tout‑terrain.

En ce qui concerne la performance boursière de l’entreprise, les actions de Cummins connaissent une forte tendance haussière depuis plus de deux décennies. Ce parcours a été ponctué de baisses, offrant ainsi une belle opportunité aux investisseurs d’acheter. La baisse d’environ 16 % des actions de Cummins jusqu’à présent cette année pourrait être envisagée de la même manière.

Au moment de la rédaction, les actions CMI se négocient à 294,16 $, ce qui place la capitalisation boursière de Cummins à 40,38 milliards de dollars. Avec cela, elle affiche un BPA (TTM) de 28,17, un PER (TTM) de 10,41 et un ROE (TTM) de 41,27 %. Fait intéressant, Cummins propose également un rendement du dividende de 2,48 %, ce qui en fait une opportunité d’investissement potentiellement attrayante.

En ce qui concerne les finances, en 2024, une année que l’entreprise a qualifiée de « transformationnelle » pour avoir réalisé des « progrès significatifs dans l’avancement de notre stratégie Destination Zero » et livré des « résultats records », le chiffre d’affaires est resté stable à 34,1 milliards de dollars.

Cela résulte d’une augmentation de 1 % des ventes en Amérique du Nord malgré une baisse de la demande de camions lourds, et d’une diminution de 1 % des revenus internationaux par rapport à l’année précédente. Une des raisons en est Atmus Filtration Technologies, qui s’est séparée de Cummins l’année dernière pour devenir une société entièrement indépendante. De plus, Accelera a subi une réorganisation, entraînant des charges liées à la décision de rationaliser les opérations et de concentrer les investissements.

Le bénéfice net de Cummins pour l’exercice complet 2024 était de 3,9 milliards de dollars, soit 28,37 $ par action diluée, ce qui a fortement augmenté grâce au gain lié à la séparation d’Atmus.

Pour cette année, Cummins prévoit que son chiffre d’affaires se situera entre -2 % et +3 % en raison d’une demande « légèrement plus faible » attendue en Amérique du Nord. Néanmoins, l’entreprise a réaffirmé son engagement envers son objectif stratégique à long terme de restituer 50 % du flux de trésorerie opérationnel aux actionnaires.

En 2024, Cummins a effectivement augmenté son dividende en espèces sur actions ordinaires pour la 15ᵉ année consécutive, retournant 969 millions de dollars aux actionnaires sous forme de dividendes.

D’autres développements réalisés par l’entreprise l’année dernière comprennent l’introduction de la plateforme moteur Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) mise en œuvre dans ses portefeuilles de moteurs des séries B, X10 et X15, ainsi que le lancement d’un nouveau moteur dédié à la nouvelle gamme de camions moyens d’Isuzu, constructeur automobile japonais.

De plus, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses et PACCAR ont créé une coentreprise appelée Amplify Cell Technologies afin de localiser la production de cellules de batterie et la chaîne d’approvisionnement en batteries aux États‑Unis. Amplify a déjà commencé la construction d’une usine de 21 GWh, visant à démarrer la production en 2027.

Dernières nouvelles sur Cummins Inc.

Conclusion

Une alternative prometteuse aux combustibles fossiles est l’hydrogène propre. Cet élément crucial de la stratégie mondiale de décarbonisation offre une haute densité énergétique, des sous‑produits non polluants et une polyvalence à travers divers secteurs, rendant essentiel le développement de méthodes rentables de production d’hydrogène.

L’électrolyse PEM est une de ces approches qui peut aider à faire progresser les efforts de transition énergétique mondiale. Ici, les chercheurs de l’Université de Tohoku remplacent les catalyseurs coûteux en platine par des alternatives de métaux non précieux conçues par ingénierie de surface, marquant une étape clé pour rendre l’hydrogène propre commercialement viable.

Ses avantages en termes de coût, proches de l’objectif de coût du DOE américain, et la mise à l’échelle de la cathode CoP|F dans des électrolyseurs PEM réels montrent que nous pourrions débloquer l’hydrogène propre comme solution de masse pour les besoins énergétiques mondiaux !

Cliquez ici pour découvrir pourquoi l’hydrogène pourrait encore être le carburant du futur. 

Études référencées :

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). La reconstruction de surface active la cathode en métal non noble pour l’électrolyseur à membrane échangeuse de protons. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846