Nouveaux chemins vers une production d’hydrogène plus efficace découverts

Finding The Right Hydrogen Catalyst

Hydrogen could, in theory, be a perfect fuel to store energy and power applications that are hard to electrify. This is because it presents a few almost ideal characteristics:

• The byproduct of its combustion is only water
  • And the same can be said when it is used to produce electricity in fuel cells.
• It can burn at very hot temperatures, making it a good alternative to natural gas in metallurgy, chemical processes, etc.
• It only requires water as a resource for its production.
• Hydrogen is itself non-toxic and non-polluting.

Cependant, le développement d’une économie basée sur l’hydrogène a été freiné par la difficulté de produire de l’hydrogène de manière rentable. Cela s’explique par le fait que la plupart de l’hydrogène vert (produit à partir d’énergie verte) est fabriqué par électrolyse, un procédé qui repose actuellement principalement sur des catalyseurs coûteux tels que le platine, le ruthénium ou l’iridium, tous des métaux très rares et onéreux.
Ainsi, tant qu’aucune méthode de production d’hydrogène meilleure n’existe, il est peu probable que nous puissions le voir remplacer les combustibles fossiles à grande échelle.
Heureusement, cela change rapidement. Nous avons déjà couvert quelques-unes de ces possibilités, notamment transformer les déchets plastiques en hydrogène, en utilisant nanorods de nickel comme catalyseur alternatif, ou en utilisant métaux de ferraille en titane et nickel (swarf) produits lors de la fabrication de pièces métalliques. De nouvelles options sont maintenant ajoutées par les chercheurs.
Le premier est la création de catalyseurs auto‑optimisants¹ par des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg (Allemagne) et de l’Université technique de Darmstadt (Allemagne), de l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères (Allemagne), de l’Institut de technologie de Harbin (Chine) et de l’Université de Shandong (Chine). Il a été publié dans Angewandte Chemie sous le titre « Catalyseurs électrocataliques auto‑optimisants à base d’oxyde de cobalt‑tungstène pour une évolution de l’oxygène améliorée en milieu alcalin ».
Le second est l’invention d’une méthode pour transformer les boues d’épuration en hydrogène vert et en alimentation animale² par des chercheurs de la Nanyang Technological University (Singapour), de l’Université Monash (Australie) et de l’Université de Hong Kong (Chine). Il a été publié dans Nature Water sous le titre « Electrorefonte des boues d’épuration alimentée par le soleil couplée à un acheminement biologique pour cogénérer des aliments verts et de l’hydrogène ».

Fixing Hydrogen Catalysts

Un problème récurrent avec tous les catalyseurs produisant de l’hydrogène est qu’ils se dégradent avec le temps. Cela peut être dû à un dépôt qui se forme sur les métaux réactifs, ou à la couche métallique elle‑même qui se détériore lentement et perd des composants à chaque cycle catalytique.
Ceci est particulièrement problématique pour les catalyseurs coûteux du groupe des métaux du platine, mais c’est également un problème pour d’autres types de catalyseurs à base de métaux.
Ainsi, il est important que les chercheurs allemands et chinois de la première étude évoquée ici aient observé un comportement auto‑optimisant avec leurs nouveaux catalyseurs.

“Ce qui rend notre catalyseur unique, c’est qu’il améliore réellement ses performances au fil du temps, tandis que les catalyseurs conventionnels maintiennent leurs performances à un taux constant ou même en perdent une partie parce qu’ils ne sont pas suffisamment durables,”
Dr. Dandan Gao – Responsable de la recherche à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence

Cobalt-Tungsten Catalysis

Solving Hydrogen Production Chokepoint

Les chercheurs se sont concentrés sur les oxydes de métaux de transition dits 3d à 5d, formulés comme métaux mixtes.
Ces oxydes sont capables d’effectuer une réaction chimique appelée réaction d’évolution de l’oxygène (OER), qui représente la moitié de la réaction se produisant lors de l’électrolyse de l’eau en hydrogène, dans les deux conceptions d’électrolyseurs les plus courantes (électrolyseurs AEM et PEM).

Source: SpectroInlet

“Il y a deux réactions lors de la scission de l’eau. La réaction d’évolution de l’hydrogène (HER), qui produit du gaz hydrogène, et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER), qui produit du gaz oxygène. L’OER représente le goulot d’étranglement de l’ensemble de la réaction. C’est pourquoi nous nous engageons tant à développer un catalyseur capable de favoriser la demi‑réaction OER.”
Dr. Dandan Gao – Responsable de la recherche à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence

Cependant, ces nouveaux catalyseurs potentiels sont encore mal compris, avec peu de connaissances sur ce qui se passe exactement au niveau atomique pendant la réaction, ou même sur la forme électrochimique que prend le métal.
Ce manque de compréhension constitue un obstacle majeur au développement d’une solution commercialement viable, car il limite également la capacité d’ancrer les catalyseurs à un substrat stable.

One-Step Deposit Method

Les chercheurs ont utilisé un substrat micro‑fleur d’oxyde de cuivre (L−CuO) d’un diamètre de 3–5 µm, développé précédemment dans leur laboratoire en 2020.
Ils ont ensuite utilisé une méthode de dépôt chimique pour créer une couche d’alliage cobalt‑tungstène à la surface du substrat de cuivre.

Source: Angewandte Chemie