Catalyseur d’hydrogène sans platine: un bond en avant dans la technologie de l’énergie propre

Une transition vers une énergie propre se déroule partout dans le monde alors que la crise climatique qui s’aggrave crée un besoin urgent de décarboniser les systèmes énergétiques. 

Contrairement aux combustibles fossiles tels que le charbon et le pétrole, les sources d’énergie propre ne libèrent pas d’énormes quantités de gaz à effet de serre (GES) comme le méthane, le CO2, le protoxyde d’azote ou d’autres polluants lors de leur production, contribuant ainsi à un environnement plus sain.

Fait intéressant, l’énergie propre peut provenir de sources renouvelables comme le soleil qui est constamment renouvelé et disponible partout sur la planète ainsi que de sources non renouvelables comme l’énergie nucléaire, qui utilise des ressources limitées (uranium).

Comparées à leurs homologues fossiles, les sources d’énergie propre ont également des coûts de maintenance et d’exploitation plus faibles, ce qui permet des prix plus stables pour les consommateurs.

Avec cela, l’industrie de l’énergie propre connaît une croissance rapide, les investissements dans les technologies cleantech qui réduisent l’impact environnemental et favorisent la durabilité atteignant un record de 71 milliards de dollars au troisième trimestre 2024, selon Deloitte. 

Maintenant, en ce qui concerne les sources d’énergie propre, voici les plus importantes :

1. Solaire – Le rayonnement solaire est exploité ici grâce à des technologies comme les panneaux photovoltaïques (PV) qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité. En 2024, la capacité solaire mondiale a fortement augmenté, ajoutant une capacité notable de 593 GW de panneaux PV solaires. 
2. Éolien – L’énergie cinétique du vent est convertie en électricité par des turbines. Selon l’emplacement des turbines, elle peut être de deux types: l’énergie éolienne terrestre, où les parcs éoliens sont situés sur terre, et l’énergie éolienne offshore, où les parcs éoliens sont situés en mer.
3. Eau – L’énergie cinétique de l’eau qui coule est utilisée pour produire de l’électricité, principalement via des barrages et des turbines. L’hydroélectricité représente environ 15 % de la production totale d’électricité. 
4. Géothermie – Ce type d’énergie est exploité grâce à la chaleur interne de la Terre et est obtenu via des centrales géothermiques situées dans des réservoirs souterrains.  
5. Biomasse – Ici, la matière organique comme les résidus de cultures et les résidus forestiers est exploitée. 
6. Nucléaire  – C’est l’énergie d’un atome avec une puissance obtenue par fission nucléaire et fusion nucléaire. Selon l’enquête de Deloitte sur l’énergie et les services publics, les technologies nucléaires avancées joueront le rôle le plus important pour répondre à la demande croissante d’électricité dans les prochaines années.
7. Hydrogène – L’hydrogène est produit à partir de diverses ressources et, lorsqu’il est consommé dans une pile à combustible, ne produit que de l’eau. Le Département de l’Énergie des États‑Unis (DOE) a alloué 7 milliards de dollars pour développer des pôles d’hydrogène.

Hydrogène comme carburant propre puissant

Le tout premier élément du tableau périodique, l’hydrogène (H), est une substance gazeuse incolore, inodore, insipide, hautement combustible et non toxique. C’est également l’élément le plus simple, le plus léger et le plus abondant.

Mais ce qui le rend extrêmement attractif est le fait que lorsqu’il est brûlé, l’hydrogène ne produit que de la vapeur d’eau. Lorsqu’il est produit à l’aide d’énergie renouvelable, en particulier, l’hydrogène vert peut aider à décarboniser des secteurs comme le transport et la production d’électricité.

Au milieu des besoins énergétiques croissants de la société, l’hydrogène offre une source d’énergie propre très efficace qui peut potentiellement être produit à partir de diverses sources. C’est en fait un vecteur d’énergie qui peut être utilisé pour déplacer, stocker et délivrer l’énergie produite à partir d’autres sources.

Voici les méthodes les plus courantes pour produire du carburant à base d’hydrogène:

1. Processus thermique – Produit à l’aide d’un procédé à haute température appelé reformage à la vapeur, l’hydrogène est généré lorsque la vapeur réagit avec des combustibles hydrocarbonés tels que le gaz naturel, le diesel, le charbon gazéifié, la biomasse gazéifiée et les carburants liquides renouvelables.
2. Processus électrolytique – L’eau (H2O) est séparée en oxygène et en hydrogène à l’aide d’un courant électrique. Le processus se déroule à l’intérieur d’un électrolyseur, où l’électricité traverse l’eau, provoquant la séparation des molécules.
3. Processus solaire – La lumière est utilisée pour produire de l’hydrogène et comprend différentes approches, telles que la photobiologique, la photoélectrochimique et la thermochimie solaire. 
4. Processus biologique – L’hydrogène est produit par des réactions biologiques utilisant des micro-organismes comme les bactéries et les microalgues.

Aujourd’hui, l’hydrogène a un très fort potentiel pour répondre aux besoins énergétiques propres de la société, mais le problème est qu’il reste des défis à surmonter. Ces défis comprennent la production à grande échelle, le transport et le stockage. De plus, la production d’hydrogène doit être stable et peu coûteuse.

La réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) est considérée comme la méthode de production d’hydrogène la plus respectueuse de l’environnement et la plus durable. C’est une réaction cathodique qui implique l’électrolyse de l’eau. 

Dans ce processus électrochimique de séparation de l’eau, des métaux comme le platine, le nickel et d’autres métaux de transition sont utilisés comme catalyseurs qui réduisent les protons en gaz hydrogène.

Le problème ici réside dans le métal le plus couramment utilisé comme catalyseur, le platine, qui, bien qu’offrant des performances catalytiques très efficaces, présente des problèmes de rareté et de coût. Ainsi, l’accent est de plus en plus mis sur des catalyseurs alternatifs afin de réduire la consommation de métaux précieux.

Le rôle du platine dans la production d’hydrogène propre

Un métal brillant, blanc argenté qui est parfois confondu avec l’argent, le platine (Pt) est essentiel pour atteindre l’objectif de zéro émission nette. Ce métal dense, malléable et éclatant est très inerte et résistant à la corrosion, même à haute température.

Cependant, c’est un métal extrêmement rare, plus de 30 fois plus rare que l’or, présent à une concentration de seulement 0,005 ppm dans la croûte terrestre. En tant que métal rare, le platine est difficile et coûteux à extraire, ce qui rend le produit final plus cher.

Le métal est principalement extrait en Afrique du Sud, qui représente plus de 70 % de l’approvisionnement mondial en platine, ainsi qu’en Russie, au Zimbabwe, au Canada et aux États‑Unis.

En ce qui concerne les cas d’utilisation, le platine est utilisé pour fabriquer des bijoux, mais surtout, il est employé dans les composants électroniques et les catalyseurs de pot d’échappement pour réduire les émissions du transport. En 2022, environ 85 tonnes du métal ont été utilisées uniquement pour les catalyseurs de pot d’échappement. Il devient également un minéral critique dans la transition énergétique mondiale. 

Le métal est particulièrement précieux dans les électrolyseurs, qui existent sous diverses formes, mais les développeurs de projets hydrogène privilégient l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM). Alternative plus efficace à l’électrolyse alcaline, les électrolyseurs PEM utilisent le platine pour fabriquer des catalyseurs extrêmement performants. 

Le platine est également utilisé dans les piles à combustible PEM, qui fonctionnent comme les électrolyseurs PEM mais en sens inverse. Au lieu de séparer l’hydrogène et l’oxygène, il les combine en utilisant le platine comme catalyseur.

Les piles à combustible à hydrogène sont composées de deux électrodes — une anode (électrode négative) et une cathode (électrode positive) séparées par un électrolyte. Un catalyseur, qui est une couche de métal comme le platine, à l’anode divise les molécules d’hydrogène en protons et électrons, qui se déplacent vers la cathode pour créer un flux d’électricité.

L’excellente conductivité et la stabilité chimique du platine sont ce qui le rend si efficace en tant que catalyseur. Leur efficacité est essentielle pour atteindre des taux de conversion énergétique élevés dans les piles à combustible, leur permettant de concurrencer les sources d’énergie traditionnelles. 

Alors que le besoin de décarbonisation continue de croître, la demande de platine devrait augmenter grâce aux technologies PEM à base de platine qui offrent le potentiel de réaliser 11 % de réduction des émissions mondiales de dioxyde de carbone.

Par conséquent, l’attention portée à ce métal augmente dans le monde entier. Aux États‑Unis, l’Inflation Reduction Act comprend un avantage fiscal pour l’hydrogène à faible teneur en carbone afin d’accélérer la production d’hydrogène propre et l’adoption des véhicules à pile à combustible. Le REPowerEU de la Commission européenne vise quant à lui à doubler sa capacité d’hydrogène propre à 80 GW d’ici 2030.

Cette poussée mondiale, selon le World Platinum Investment Council, pourrait faire de la production d’hydrogène propre la principale source (35 %) de la demande de platine d’ici 2040.

Outre les déséquilibres entre l’offre et la demande, l’utilisation de métaux précieux comme le platine pose d’autres défis, tels que les coûts élevés, la dégradation potentielle et les préoccupations environnementales. En conséquence, les chercheurs travaillent continuellement à éliminer le platine comme catalyseur d’hydrogène et à trouver de meilleures alternatives.

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Fabrication de catalyseurs sans platine

Dans la quête d’un hydrogène sans platine, des chercheurs de l’UNSW Sydney mènent une étude pour résoudre les problèmes liés à l’utilisation du métal précieux dans les piles à combustible à hydrogène. 

Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour comprendre pourquoi certains matériaux catalytiques sont moins stables que le Pt, ce qui aidera d’autres chercheurs à développer de nouveaux matériaux et à améliorer les perspectives futures des catalyseurs sans platine dans les piles à combustible à hydrogène.

Les techniques développées ont révélé que jusqu’à 75 % des sites actifs à base de fer dans la pile à combustible sont devenus inactifs au cours des 10 premières heures de fonctionnement. Cela était principalement dû à la perte de sites actifs en fer, la corrosion du carbone étant une autre raison. 

Dans une étude séparée étude¹, des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison, de l’Université Cornell et de l’Université de Wuhan ont découvert une nouvelle façon de catalyser la réaction pour fabriquer des piles à combustible à hydrogène.

Les chercheurs ont utilisé du nickel bon marché, métal non précieux, pour les électrodes cathode et anode de la pile à combustible. L’électrocatalyseur à base de nickel a été conçu avec une coque de 2 nm faite de carbone dopé à l’azote.

L’incorporation d’atomes de nickel uniques dans une gaine semblable à du graphène composée d’atomes de carbone et d’azote les rend résistants à l’oxydation et lie les atomes d’hydrogène avec la force idéale nécessaire pour une réaction d’oxydation de l’hydrogène (HOR) efficace.

Ainsi, avec un catalyseur d’anode composé d’un cœur solide de nickel enfermé dans une coque de carbone et une cathode de cobalt-manganèse, les chercheurs ont créé une pile à combustible à hydrogène dépourvue de tout métal précieux avec une puissance supérieure à 200 mW/cm².

En 2020, des scientifiques du laboratoire national Argonne du DOE ont découvert et développé le catalyseur sans platine le plus prometteur pour les piles à combustible à hydrogène qui reposent sur la réaction de réduction de l’oxygène (ORR). Il était basé sur le fer, l’azote et le carbone, qui ont été mélangés et chauffés entre 900 et 1100 °C lors d’une pyrolyse.

Ensuite, les atomes de fer du matériau ont été liés à des atomes d’azote et incorporés dans du graphène. Ainsi, chaque atome de fer constitue un site où la ORR peut se produire, rendant l’électrode plus efficace.

Dans ce contexte d’intérêt croissant pour réduire la dépendance au platine coûteux et améliorer l’efficacité et le coût des piles à combustible et de l’électrolyse à l’hydrogène, des scientifiques ont maintenant développé un catalyseur à base de nanosheets de palladium dont les performances sont comparables à celles du platine dans la production d’hydrogène.

Le palladium comme alternative au platine pour un hydrogène abordable

La dernière² étude provient des chercheurs de l’Université des Sciences de Tokyo (TUS) qui ont développé un nouveau catalyseur d’évolution de l’hydrogène, des nanosheets de coordination bis(diimino)palladium (PdDI).

Le palladium est un métal brillant, argenté, et l’un des métaux du groupe du platine les plus abondants, avec une densité bien inférieure à celle du platine.

L’utilisation du palladium, qui offre une efficacité similaire à celle du platine à une fraction du coût, ouvre la voie à une production d’hydrogène abordable et durable pour accélérer la révolution de l’énergie propre. 

Dirigée par le professeur Hiroshi Nishihara et le Dr Hiroaki Maeda de TUS en partenariat avec des chercheurs d’autres instituts, l’étude marque une percée dans la technologie de la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER).

Les électrodes du catalyseur HER facilitent la conversion du H, qui est produit à la surface de l’électrode lors de la séparation de l’eau, en gaz hydrogène (H2). Pour surmonter les limitations du Pt qui restreignent son application à grande échelle comme catalyseur HER, l’équipe propose une alternative hautement efficace aux catalyseurs à base de platine grâce à un processus de synthèse simple.

L’équipe a créé des nanosheets à base de palladium qui ont la capacité de atteindre une activité catalytique élevée avec une utilisation réduite de métaux précieux, ce qui réduit considérablement les coûts de production de H2.

Comme le note le Dr Maeda, « développer des électrocatalyseurs HER efficaces est essentiel à la production durable de H2 » et « les nanosheets de coordination bis(diimino)metal, avec leur haute conductivité, grande surface et transfert d’électrons efficace, sont des candidats prometteurs ». En plus de ces propriétés, la disposition parcimonieuse du métal dans les nanosheets réduit l’utilisation de matière. 

Les nanosheets PdDI, à savoir E-PdDI et C-PdDI, ont été développés avec succès en utilisant deux méthodes différentes:

1. Oxydation électrochimique
2. Synthèse interfaciale gaz-liquide

Une fois activées, les feuilles E-PdDI ont démontré un surpotentiel faible de 34 mV, ce qui signifie que peu d’énergie supplémentaire est requise pour la production d’hydrogène. Elles égalent non seulement le surpotentiel du platine, qui est de 35 mV, mais aussi la performance catalytique du métal précieux avec une densité de courant d’échange de 2,1 mA/cm².

La « performance remarquable » dépasse non seulement celle des électrodes en Pd métal mais aussi les nanosheets MDI (M=Ni, Co, Cu) conventionnels, a noté l’étude, ajoutant que cette performance exceptionnelle a été obtenue malgré l’utilisation de très petites quantités de métaux précieux.

Avec ces résultats, E-PdDI représente le catalyseur HER le plus efficace jamais développé, en faisant une alternative à faible coût prometteuse au platine.

En ce qui concerne la stabilité à long terme, qui est l’un des aspects critiques de tout catalyseur, les nanosheets PdDI ont également montré une excellente durabilité. Elles sont restées intactes après 12 heures en conditions acides, validant leur applicabilité pour les systèmes de production d’hydrogène réels. 

« Nos recherches nous rapprochent d’un pas de plus de rendre la production de H2 plus abordable et durable, une étape cruciale pour atteindre un avenir énergétique propre. »

– Dr. Maeda

En réduisant la dépendance au platine rare et coûteux, les nanosheets de coordination bis(diimino)palladium (PdDI) s’alignent également sur les Objectifs de développement durable (ODD) de l’ONU, favorisant une énergie abordable et propre ainsi que l’innovation et les infrastructures. 

Il est notable que l’étude n’est pas limitée aux expériences en laboratoire. Le rapport coût-efficacité, l’évolutivité et l’activité accrue des nanosheets PdDI les rendent extrêmement utiles dans les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle, les piles à combustible à hydrogène et la production industrielle d’hydrogène.

De plus, PdDI pourrait réduire les émissions liées à l’exploitation minière associées aux catalyseurs à base de platine, accélérant la transition vers une économie de l’hydrogène durable. La prochaine étape pour l’équipe TUS est d’optimiser les nanosheets PdDI pour une utilisation réelle.

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Entreprises innovantes investissables 

Examinons maintenant un nom de premier plan dans le domaine qui aide à faire progresser les technologies d’énergie propre, y compris le développement de catalyseurs d’hydrogène sans platine.

Plug Power Inc.

L’entreprise d’une capitalisation boursière de 1,54 milliard de dollars se spécialise dans les systèmes de piles à combustible à hydrogène et a mené des recherches sur des catalyseurs sans platine afin de réduire les coûts et d’améliorer l’efficacité.

Au moment de la rédaction, les actions PLUG se négocient à 1,71 $, en baisse de 21,6 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -2,54, et le PER (TTM) est de -0,65.

Pour le quatrième trimestre 2024, Plug Power (PLUG ) a déclaré 191,5 millions de dollars de revenus et une perte de marge brute de 122 %, tandis que le flux de trésorerie opérationnel a augmenté de 46 % d’une année sur l’autre. Elle a clôturé l’année avec plus de 200 millions de dollars de liquidités non restreintes. L’entreprise a récemment conclu un programme de garantie de prêt du DOE de 1,66 milliard de dollars. 

Pendant cette période, l’activité d’électrolyseur de Plug Power a continué de se développer, et l’activité hydrogène s’est renforcée.

« 2024 a été une année d’exécution solide et de progrès stratégique significatif pour Plug alors que nous avons avancé nos initiatives et fait des progrès dans la promotion de l’économie de l’hydrogène. »

– CEO Andy Marsh

Dernières nouvelles sur Plug Power

Conclusion

Avec la population mondiale qui croît rapidement, et qui devrait atteindre environ 10,3 milliards d’ici le milieu des années 2080, le problème des émissions de gaz à effet de serre deviendra encore plus grave. Cela crée un besoin de réduire notre dépendance aux énergies fossiles et d’adopter des sources d’énergie propres, plus sûres, abondantes et respectueuses de l’environnement.

Ici, l’énergie hydrogène est apparue comme un moteur clé d’un avenir propre et durable, offrant une alternative zéro émission aux combustibles fossiles. Bien que prometteuse, la production à grande échelle d’hydrogène repose fortement sur des catalyseurs coûteux à base de platine, ce qui représente un grand défi de coût pour l’industrie.

En remplaçant le précieux métal Pt par des nanosheets PdDI, la dernière étude a réalisé une percée dans la production rentable d’électrodes et a obtenu d’excellents résultats dans les industries d’approvisionnement en électrodes, la production d’hydrogène et l’automobile.

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Études référencées:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082