Un catalyseur unique pour produire de l’hydrogène 24h/7j

Les Scientifiques de l’Université de Stanford ont mis au point un séparateur d’eau à faible coût qui utilise un seul catalyseur pour produire à la fois de l’hydrogène et de l’oxygène gazeux, 24 heures sur 24, et 7 jours sur 7.

Le dispositif, décrit dans une étude publiée le 23 juin dernier dans la revue Nature Communication, pourrait fournir de l’énergie renouvelable via le vecteur hydrogène pour le transport et l’industrie.

« Nous avons développé un catalyseur séparateur d’eau, à faible tension, qui génère en continu de l’hydrogène et de l’oxygène pendant plus de 200 heures, une performance mondiale passionnante, » a déclaré Yi Cui, professeur agrégé des sciences des matériaux et de l’ingénierie à Stanford.

Dans une première phase d’ingénierie, Yi Cui et ses collègues ont utilisé la technologie de la batterie lithium-ion pour créer un catalyseur à faible coût capable d’exécuter la totalité de la réaction de la séparation d’eau. « Notre groupe a eu l’idée d’utiliser des batteries lithium-ion dans leur recherche sur les catalyseurs« , a expliqué le professeur. « Notre espoir est que cette technique conduira à la découverte de nouveaux catalyseurs pour d’autres réactions au-delà de la décomposition de l’eau. »

Hydrogène « propre« 

L’hydrogène a longtemps été promu comme un carburant sans émission. Toutefois, l’hydrogène de qualité commerciale est produite surtout à partir de gaz naturel, un combustible fossile qui contribue au réchauffement climatique. Comme alternative, les scientifiques ont tenté de développer un moyen économique et efficace d’extraire l’hydrogène de l’eau.

Un dispositif de fractionnement à eau conventionnel est constitué de deux électrodes immergées dans un électrolyte à base d’eau. Un courant à faible tension appliquée aux électrodes entraîne une réaction catalytique qui sépare les molécules H2O, libérant des bulles d’hydrogène sur une électrode et de l’oxygène sur l’autre. Chaque électrode est associée à un catalyseur différent, typiquement du platine et de l’iridium, deux métaux rares et coûteux. Mais en 2014, le chimiste Hongjie Dai a conçu un séparateur d’eau à base de nickel et de fer bon marché qui fonctionne sur une batterie standard de 1,5 volts.

Un seul catalyseur

Dans leur nouvelle étude, Yi Cui et ses collègues ont annoncé une technologie plus poussée. « Notre séparateur d’eau est unique, parce que nous utilisons un seul catalyseur, l’oxyde nickel-fer, pour les deux électrodes« , a indiqué l’étudiant diplômé Haotian Wang, principal auteur de l’étude. « Ce catalyseur bifonctionnel peut décomposer l’eau en continu pendant plus d’une semaine avec une tension de seulement 1,5 volts d’électricité. Il a démontré une efficacité de décomposition de l’eau sans précédent (82%), à température ambiante.« 

Dans les séparateurs d’eau classiques, les catalyseurs d’hydrogène et d’oxygène ont souvent besoin de différents électrolytes avec des pH différents – un acide, un alcalin – afin de rester stable et actif. « Pour le fractionnement de l’eau, un catalyseur souvent onéreux est nécessaire pour séparer les deux électrolytes, un surcoût pour l’appareil« , a précisé Haotian Wang. « Mais notre catalyseur-séparateur d’eau unique fonctionne efficacement dans un électrolyte avec un pH uniforme. »

Les chercheurs ont découvert que l’oxyde de nickel-fer, économique et facile à produire, était réellement plus stable que certains catalyseurs commerciaux en métal précieux. « Nous avons construit un séparateur d’eau conventionnel avec deux catalyseurs de référence, un en platine et un en iridium » a ajouté Haotian Wang. « Au début, l’appareil nécessitait 1,56 volts d’électricité pour décomposer l’eau, mais dans les 30 heures, nous avons dû augmenter la tension de près de 40%. Voilà une perte significative de l’efficacité« .

Batteries et catalyses

Pour trouver un matériau catalytique approprié pour les deux électrodes, l’équipe de Stanford a emprunté une technique pratiquée dans la recherche de la batterie lithium-induite appelée « tuning électrochimique« . L’idée est d’utiliser des ions lithium pour briser chimiquement le catalyseur d’oxyde métallique en fragments plus petits.

« Briser l’oxyde métallique en de minuscules particules augmente la surface et expose de nombreuses particules qui s’activent lors de la réaction catalytique de la décomposition de l’eau (…) Ce processus engendre des particules qui sont fortement reliées entre elles, de sorte que le catalyseur possède une très bonne conductivité électrique et stabilité.« 

L’utilisation d’un catalyseur constitué de nickel et de fer a des implications importantes en termes de coûts, a indiqué Yi Cui. « Non seulement les matériaux sont moins chers, mais ayant un seul catalyseur, cela réduit également deux séries d’investissement en une seule (…) Nous pensons que le réglage électrochimique peut être utilisé pour appliquer de nouveaux catalyseurs à d’autres carburants chimiques autre que l’hydrogène. La technique a été utilisée dans la recherche pour les batteries pendant de nombreuses années, mais c’est également une nouvelle approche pour la catalyse. Le mariage de ces deux domaines est très puissant« .