Des chercheurs ont mis au point deux systèmes uniques, économes en énergie et rentables, qui utilisent l’urée présente dans l’urine et les eaux usées pour produire de l’hydrogène. Ces systèmes uniques révèlent de nouvelles voies pour produire économiquement de l’hydrogène « vert », une source d’énergie durable et renouvelable, et offrent la possibilité de remédier aux déchets azotés dans les environnements aquatiques.
En règle générale, l’hydrogène est produit par électrolyse pour diviser l’eau en oxygène et en hydrogène. Il s’agit d’une technologie prometteuse pour contribuer à résoudre la crise énergétique mondiale, mais le processus est gourmand en énergie, ce qui le rend prohibitif en termes de coûts par rapport à l’extraction d’hydrogène à partir de combustibles fossiles (hydrogène gris), un processus lui-même indésirable en raison des émissions de carbone qu’il génère.
Contrairement à l’eau, un système d’électrolyse qui produit de l’hydrogène à partir d’urée consomme beaucoup moins d’énergie.
Malgré cet avantage, les systèmes existants basés sur l’urée sont confrontés à plusieurs limitations, telles que les faibles quantités d’hydrogène pouvant être extraites et la génération de sous-produits azotés indésirables (nitrates et nitrites) qui sont toxiques et concurrencent la production d’hydrogène, ce qui réduit encore l’efficacité globale du système.
Des chercheurs du Centre d’excellence du Conseil australien de la recherche pour la science et l’innovation en matière de carbone (COE-CSI) et de l’université d’Adélaïde ont mis au point deux systèmes d’électrolyse à base d’urée qui surmontent ces problèmes et permettent de produire de l’hydrogène vert à un coût qui, selon leurs calculs, est comparable ou inférieur à celui de la production d’hydrogène gris.
La production d’hydrogène à partir d’urée pure n’est pas nouvelle, mais l’équipe a trouvé un procédé plus accessible et plus rentable qui utilise l’urine comme source alternative à l’urée pure.
« Bien que nous n’ayons pas résolu tous les problèmes, si ces systèmes sont mis à l’échelle, ils produisent de l’azote gazeux inoffensif au lieu des nitrates et nitrites toxiques, et l’un ou l’autre système consommera entre 20 et 27 % d’électricité en moins que les systèmes de séparation de l’eau », indique le professeur Zheng.*
« Nous devons réduire le coût de la production d’hydrogène, mais d’une manière neutre en carbone. Le système présenté dans notre premier article, bien qu’utilisant un système unique sans membrane et un nouveau catalyseur à base de cuivre, utilisait de l’urée pure, produite par le processus de synthèse de l’ammoniac Haber-Bosch, qui consomme beaucoup d’énergie et libère une grande quantité de CO2. »
« Nous avons résolu ce problème en utilisant une source verte d’urée – l’urine humaine – qui est à la base du système examiné dans notre deuxième article. »
L’urine ou l’urée peut également provenir des eaux usées et d’autres eaux résiduaires riches en déchets azotés. L’utilisation de l’urine dans un système électro-catalytique pose toutefois un autre problème. Les ions chlorure présents dans l’urine déclenchent une réaction générant du chlore qui provoque une corrosion irréversible de l’anode du système où se produisent l’oxydation et la perte d’électrons.
« Dans le premier système, nous avons mis au point un système d’électrolyse de l’urée sans membrane innovant et très efficace pour la production d’hydrogène à faible coût. Dans ce deuxième système, nous avons mis au point un nouveau mécanisme d’oxydation médié par le chlore qui utilise des catalyseurs à base de platine sur des supports en carbone pour produire de l’hydrogène à partir de l’urine », précise le professeur Qiao*.
Le platine est un métal cher, précieux et limité, et sa demande croissante en tant que matériau catalytique n’est pas durable. L’une des principales missions du Centre d’excellence ARC pour la science et l’innovation du carbone est de mettre au point des technologies de catalyse du carbone transformatrices pour les secteurs traditionnels de l’énergie et de la chimie.
L’équipe de l’université d’Adélaïde s’appuiera sur cette recherche fondamentale pour mettre au point des catalyseurs à base de carbone et de métaux non précieux afin de construire des systèmes de traitement des eaux usées urinaires sans membrane, permettant de récupérer à moindre coût de l’hydrogène vert tout en assainissant l’environnement des eaux usées.
* La recherche sur chaque système a été publiée dans des articles distincts, l’un dans la revue Angewandte Chemie International Edition, l’autre dans Nature Communications. Xintong Gao, candidat au doctorat, est le premier auteur de l’article paru dans la revue Angewandte Chemie International Edition. Il fait partie de l’équipe de l’université dirigée par le chercheur en chef de COE-CSI, le professeur Yao Zheng, et le professeur Shizhang Qiao, directeur adjoint et chercheur en chef de COE-CSI, qui appartiennent à l’école d’ingénierie chimique.
Article : « Urine electrooxidation for energy–saving hydrogen generation » – DOI : 10.1038/s41467-025-57798-3
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