Production d’hydrogène : si le cobalt remplaçait le platine

L’un peut fonctionner en solutions aqueuses de pH2 neutre. Le second constitue le premier matériau catalytique « commutable »3 et sans métaux nobles jamais créé capable d’intervenir dans les deux réactions chimiques essentielles à l’électrolyse de l’eau : la production d’hydrogène et la production d’oxygène. Ces résultats font l’objet de publications dans les revues Nature Materials et Nature Chemistry.

Les énergies renouvelables (soleil, vent, etc.) sont des sources d’énergie primaire inégalement réparties sur le territoire et disponibles de manière intermittente. De ce fait, savoir stocker l’énergie produite paraît indispensable. La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau constitue une solution prometteuse, mais elle requiert des catalyseurs contenant des métaux « nobles » comme le platine. La rareté et le coût de ces métaux sont des freins au développement économique de la filière hydrogène sur le long terme.

La chimie bio-inspirée se base sur des processus chimiques à l’œuvre chez certains organismes vivants. Ces organismes possèdent des systèmes enzymatiques, appelés hydrogénases, qui utilisent exclusivement des métaux peu coûteux et abondants dans la nature afin, soit d’utiliser l’hydrogène comme source énergétique, soit de produire de l’hydrogène à partir d’eau. Depuis plusieurs années, les chercheurs s’inspirent de ces enzymes pour élaborer de nouveaux catalyseurs moléculaires, sans platine, mais à base de métaux peu coûteux et abondants dans la nature (comme le fer, le nickel, le cobalt ou le manganèse).

Pour être utilisables dans des dispositifs technologiques, ces catalyseurs synthétiques doivent, comme le platine, être fixés en très grande quantité sur des électrodes présentant une surface disponible importante. En 2009, des équipes de chercheurs du CEA, du CNRS et de l’Université Joseph Fourier ont réussi à immobiliser un de ces catalyseurs bio-inspirés, à base de nickel, sur des nanotubes de carbone. Mais ce matériau n’est actif qu’en milieu fortement acide. Or, l’électrolyse implique deux réactions : production d’hydrogène et production d’oxygène, et pour pouvoir s’affranchir du platine dans les deux cas, il faut pouvoir travailler dans des conditions de pH neutre à basique. En utilisant la même approche qu’en 2009, mais en développant un nouveau catalyseur bio-inspiré, à base de cobalt, les mêmes équipes viennent de franchir une nouvelle étape en obtenant un matériau capable de fonctionner dans des solutions aqueuses de pH neutre. L’activité catalytique obtenue s’avère extrêmement stable sur le long terme, la liaison du catalyseur aux nanotubes décuplant sa robustesse.

Les chercheurs sont allés plus loin et ont, en parallèle, mis au point un autre matériau, également à base de cobalt. Ce dernier est constitué de nanoparticules de cobalt enrobées d’un oxo-phosphate de cobalt. Ce matériau, qui fonctionne dans l’eau de pH neutre, est remarquable car il existe sous deux formes entre lesquelles il peut commuter et qui catalysent soit la production d’hydrogène (H2), soit l’autre réaction essentielle au processus d’électrolyse, à savoir la production d’oxygène (O2) à partir d’eau. Il s’agit du premier matériau catalytique "commutable" ou "Janus"4 non basé sur des métaux nobles. Tout en s’affranchissant de platine, il est capable de catalyser de manière extrêmement stable la production d’hydrogène à partir d’eau de pH neutre.

Ces nouveaux matériaux à base de cobalt pourraient servir à développer des technologies stables et bon marché pour la production d’hydrogène, comme « solution » de stockage des énergies renouvelables. Les chercheurs travaillent actuellement à leur intégration dans un système global de photosynthèse artificielle, permettant de produire de l’hydrogène de manière totalement renouvelable, à partir d’eau et d’énergie solaire.

Notes :

1 Laboratoire de chimie et de biologie des métaux (unité mixte CEA/CNRS/Université Joseph Fourier) – IRTSV (Institut de recherches en technologie et sciences pour le vivant) – Iramis (Institut rayonnement et matière à Saclay) – CEA-Liten – CEA-Leti (DTBS, département des micro-technologies pour la biologie et la santé).
2 Le pH permet de déterminer si une solution est acide, neutre ou basique.
3 Ce matériau peut se transformer de manière réversible d’une forme chimique à une autre, chacune correspondant à une activité catalytique spécifique.
4 Divinité romaine à deux visages.