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).

“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.

Des analyses ultérieures ont révélé les structures microscopiques complexes du matériau, en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflexion totale atténuée (ATR‑FTIR) et les mesures de spectroscopie Raman.
Cela a également confirmé que le catalyseur est très fermement lié au substrat de cuivre.

“Le développement d’approches de dépôt viables et évolutives revêt une importance technologique, économique et écologique capitale, permettant un ancrage stable des pré‑catalyseurs OER sur des substrats prometteurs sélectionnés avec une haute intégrité mécanique”
Source: Angewandte Chemie

Self-Optimizing Catalyst

À partir de ces observations extrêmement détaillées, les scientifiques ont découvert que les ions cobalt passent de la forme Co2+ à la forme Co3+. Simultanément, les ions tungstène passent également de la forme W5+ à la forme W6+.
En conséquence, avec le temps, la partie électrochimiquement active du catalyseur est transférée du site actif du tungstène vers le site actif du cobalt.

Le catalyseur change également en termes d’hydrophilie de surface, c’est‑à‑dire sa capacité à attirer l’eau (le combustible pour la génération d’hydrogène) : avec le temps, il devient plus hydrophile.

“En général, nous avons constaté des surpotentiels nettement réduits et des densités de courant accrues, accompagnés d’une augmentation substantielle de la cinétique de l’OER. Tout cela constitue une bonne nouvelle pour la production d’hydrogène du futur.”
Dr. Dandan Gao – Responsable de la recherche à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence

Cela devrait constituer une avancée majeure pour rendre les oxydes de métaux de transition des catalyseurs viables pour la production d’hydrogène.
Non seulement cela démontre que l’équipe de scientifiques a développé un substrat de cuivre viable pour le catalyseur, mais aussi que de tels catalyseurs peuvent être hyper‑stables, voire s’améliorer avec le temps.
Cela fournit également le cadre théorique pour évaluer le potentiel d’autres combinaisons de métaux de transition qui ne sont pas encore aussi bien comprises que le cobalt‑tungstène.

No Need For Catalysis?

Dealing with Cities’ Sludge

Parallèlement, la production d’hydrogène pourrait également commencer à provenir des flux massifs de déchets que nos villes génèrent. C’est au moins le concept exploré par des chercheurs de Singapour, de Chine et d’Australie.
Ils se sont concentrés sur les boues d’épuration, un sous‑produit toxique du traitement des eaux usées. Ces boues sont notoirement difficiles à traiter et à éliminer en raison de leur structure complexe, de leur composition et des contaminants tels que les métaux lourds et les agents pathogènes.
Plus de 100 millions de tonnes de boues d’épuration sont générées chaque année à l’échelle mondiale. Les méthodes d’élimination courantes — comme l’incinération ou l’enfouissement — sont chronophages, énergétiquement inefficaces et contribuent à la pollution environnementale.
À la place, cela pourrait devenir une source simultanée d’alimentation animale et d’hydrogène.

Turning Sludge Into Resources

Les chercheurs ont développé un processus en 3 étapes pour traiter les boues.
Premièrement, ils décomposent mécaniquement les boues en un liquide. Ensuite, ils retirent les métaux lourds du matériau organique grâce à un traitement chimique.
Ensuite, ils utilisent un procédé électrochimique pour transformer les matériaux organiques en produits précieux : acide acétique et gaz hydrogène, à l’aide d’électrodes spécialisées.
Enfin, ils introduisent une culture de bactéries capables de capter la lumière (cyanobactéries) pour transformer le résidu organique en protéines unicellulaires adaptées à l’alimentation animale.
Les deuxième et troisième étapes sont respectivement directement (dans le cas des bactéries) ou indirectement avec des panneaux solaires (dans le cas du traitement électrochimique) alimentées par la lumière du soleil.
https://www.youtube.com/watch?v=L25ispD9XKc
Cela rend l’ensemble du processus de recyclage des boues totalement sans carbone, et même carbone négatif, car il évite les émissions de carbone liées au traitement habituel des boues, et remplace d’autres sources basées sur les combustibles fossiles pour l’acide acétique, l’hydrogène et l’alimentation animale.
L’hydrogène peut être utilisé comme source d’énergie propre, et l’acide acétique est un ingrédient clé pour les industries alimentaires et pharmaceutiques.

High Efficiency

Cette méthode a démontré pouvoir récupérer 91,4 % du carbone organique présent dans les boues d’épuration et convertir 63 % du carbone organique en protéines unicellulaires.
C’est bien plus élevé que la digestion anaérobie traditionnelle, qui récupère et convertit généralement environ 50 % des matières organiques des boues d’épuration.
Dans l’ensemble, cela réduit les émissions de carbone de 99,5 % et la consommation d’énergie de 99,3 % par rapport aux méthodes traditionnelles.

“Nous espérons que notre méthode proposée montre la viabilité d’une gestion durable des déchets et change la perception des boues d’épuration — d’un déchet à une ressource précieuse qui soutient l’énergie propre et la production alimentaire durable.”
Dr Zhao Hu, chercheur à la Nanyang Technological University

En plus de cette haute efficacité, elle purifie également les boues des métaux lourds, qui ont tendance à polluer les décharges dans les méthodes habituelles de traitement.
Cette nouvelle méthode indique qu’une révolution dans la façon dont les eaux usées sont traitées dans le monde est possible, en éliminant les métaux lourds (peut‑être pour un recyclage ultérieur ?) et en produisant simultanément de l’acide acétique utile, de l’hydrogène et de l’alimentation animale.

Conclusion

Une économie de l’hydrogène sera probablement constituée d’un réseau complexe de diverses sources d’hydrogène.
Très probablement, il s’agira de catalyseurs avancés réalisant l’électrolyse de l’eau en hydrogène, sans nécessiter de métaux rares coûteux. Cela rendrait le coût de l’hydrogène suffisamment bas pour en faire un concurrent économiquement viable aux combustibles fossiles et aux autres alternatives vertes.
Une autre source probable consiste à mieux exploiter les millions de tonnes de déchets produits par l’agriculture, les eaux usées et d’autres activités humaines. Comme ces déchets nécessitent de toute façon un traitement, il est bien plus judicieux de les traiter de manière à éliminer les polluants (comme les métaux lourds) et à créer de nouveaux produits utiles.
Et si cela se fait uniquement à l’énergie solaire, c’est encore mieux.

Tungsten Catalysis Company

Le tungstène émerge progressivement non seulement comme un métal ultra‑résistant, utilisé dans l’industrie lourde et le secteur de la défense, mais aussi comme un catalyseur puissant utile pour l’industrie chimique et la génération d’hydrogène.
Il pourrait même devenir un superconducuteur haute température puissant lorsqu’il est tissé dans la bonne configuration moléculaire.
Vous pouvez lire un aperçu technique et d’investissement sur cette ressource dans “Tungsten – The Secret High-Tech Metal“.
C’est également un métal dont la chaîne d’approvisionnement est presque entièrement contrôlée par la Chine, à une exception près, Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

Almonty est un mineur de tungstène qui produit actuellement principalement à partir d’une mine au Portugal, en activité depuis 125 ans.
L’entreprise travaille à l’expansion de la mine portugaise et possède des gisements non développés en Espagne.

Le projet le plus important de l’entreprise est le développement en cours d’une nouvelle mine à Sangdong, en Corée du Sud. La mine contient plus de ressources inférées que l’ensemble de ses autres gisements combinés.

En tant que l’un des seuls mineurs de tungstène actifs et producteurs dans les pays occidentaux, Almonty est un fournisseur stratégique clé pour l’industrie de la défense. Ainsi, c’est une entreprise importante pour réduire la dépendance à l’approvisionnement chinois.
L’emplacement de la mine de Sangdong en fait un fournisseur idéal pour l’industrie de la défense, la Corée du Sud étant un nouveau géant de la production de masse d’équipements militaires « low tech » tels que les chars, l’artillerie et les munitions (comparé aux avions de chasse, porte‑avions, etc., qui demandent moins de tungstène).

Alors que la Chine se prépare à ouvrir une immense mine de tungstène au Kazakhstan, Almonty est prête à « déplacer substantiellement la politique liée à la sécurisation du tungstène » lorsque la mine Sangdong du projet Almonty Korea Tungsten sera mise en service d’ici quelques mois. Lorsqu’elle commencera la production, elle sera l’une des plus grandes mines de tungstène au monde, représentant 30 % de l’approvisionnement non chinois.
Lewis Black, directeur, président et PDG d’Almonty Industries

Almonty devrait commencer à produire du tungstène à partir de la mine coréenne début à mi‑2025.
En raison de sa position stratégique en tant que principal grand fournisseur en Occident, Almonty s’est vu offrir un prix garanti par Plansee. Plansee est un fabricant de métaux haute performance et l’un des plus grands clients d’Almonty, ainsi que propriétaire de 15 % de l’entreprise.
Le prix minimum garanti était de 235 $/MTU (unité de tonne métrique), sans plafond supérieur. Comme la mine de Sangdong vise des coûts de trésorerie de 110 $/MTU, cela devrait pratiquement garantir une marge bénéficiaire élevée pour le projet.
Avec un timing chanceux, presque parfait, entre l’ouverture prochaine de Sangdong et une nouvelle guerre commerciale entre l’Amérique de Trump et la Chine, le cours de l’action a fortement réagi et a augmenté de 40 % en seulement 2 jours après l’annonce de la restriction d’exportation du tungstène par la Chine.
Alors que le tungstène devient de plus en plus essentiel pour les applications haute technologie, ainsi que pour les tensions géopolitiques, un approvisionnement élevé, sécurisé et non chinois en tungstène devrait générer une prime stable, Almonty étant l’un des bénéficiaires les plus forts.

Study Reference:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Catalyseurs électrocataliques auto‑optimisants à base d’oxyde de cobalt‑tungstène pour une évolution de l’oxygène améliorée en milieu alcalin. Angewandte Chemie. 05 février 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Électrorefonte des boues d’épuration alimentée par le soleil couplée à un acheminement biologique pour cogénérer des aliments verts et de l’hydrogène. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}