Par Ifath Arwah, Université de Sharjah
En utilisant un éventail de techniques de caractérisation avancées, des chercheurs affirment avoir mis au point une méthode novatrice offrant la possibilité de produire de l’hydrogène à partir d’eau de mer grâce à un procédé qui requiert moins d’énergie, résiste à la corrosion et pourrait permettre une production d’hydrogène plus économique.
L’étude, publiée dans la revue Chemical Communications, décrit l’utilisation d’un nouveau catalyseur pour produire de l’hydrogène. Le catalyseur est composé de trois ingrédients : hydroxyde de nickel, oxyde de cérium et phosphate. Les composants du catalyseur sont abondamment disponibles dans la nature et relativement peu coûteux à obtenir.
L’un des moyens les plus prometteurs de produire du carburant hydrogène propre est l’électrolyse de l’eau, qui fait passer un courant électrique dans l’eau pour la scinder en hydrogène et en oxygène. À l’heure actuelle, ce procédé est généralement réalisé avec de l’eau pure traitée, ce qui est coûteux et, dans de nombreuses régions du monde, rare. L’eau de mer est abondante et facilement accessible, aussi les scientifiques souhaitent-ils depuis longtemps l’utiliser directement pour la production d’hydrogène.
Cependant, l’eau de mer contient de grandes quantités d’ions chlorure (sel dissous). Ces ions posent deux défis majeurs : ils corrodent et dégradent les catalyseurs métalliques qui pilotent la réaction, et ils entrent en concurrence avec la réaction de dégagement d’oxygène recherchée.
« Au lieu de produire de l’oxygène de manière propre, la réaction peut produire du chlore toxique et des sous-produits apparentés », a expliqué le Dr Tanveer Ul Haq, professeur adjoint de chimie à l’Université de Sharjah et co-auteur. « Le défi n’est donc pas seulement de savoir “pouvons-nous scinder l’eau de mer ?”, mais “pouvons-nous le faire de manière sélective et durable, sans que le sel n’endommage le catalyseur ou ne détourne la réaction ?” »
Un nouveau pas vers l’hydrogène abordable
Selon l’étude, le nouveau système catalytique requiert moins d’énergie pour fonctionner, est plus sélectif pour la réaction recherchée et se corrode bien moins que les versions dépourvues d’oxyde de cérium ou de phosphate.
Les auteurs mettent également en avant la durabilité de leur méthode, affirmant qu’elle reste efficace plus longtemps, dans des conditions réelles de fonctionnement, que les modèles antérieurs.
« Lors d’un test de contrainte, il a fonctionné en continu à haut rendement pendant environ 80 heures dans de l’eau de mer simulée, sans tomber en panne ni perdre en performance — un bon signe de durabilité pratique, et pas seulement un résultat de laboratoire ponctuel », a noté le Dr Ul Haq.
De plus, il a souligné que le matériau formait des nanostructures minuscules, densément empaquetées et en forme de pyramide, donnant au catalyseur une surface active nettement plus étendue que celle de l’hydroxyde de nickel simple, donc davantage de sites où la réaction peut se produire.
Les auteurs démontrent un catalyseur qui fonctionne de manière efficace et durable directement dans l’eau de mer, laquelle représente environ 97 % de l’eau de la planète. « Ce type de recherche s’attaque progressivement à l’un des goulots d’étranglement pratiques qui séparent “l’hydrogène vert est théoriquement formidable” de “l’hydrogène vert est quelque chose que nous pouvons réellement construire à grande échelle, partout, à bas coût” », a souligné le Dr Ul Haq. « Ce n’est pas encore un produit commercial abouti, mais c’est un pas solide et bien documenté dans cette direction. »
Autre bénéfice, selon les auteurs : leur technique ne dépend pas des combustibles fossiles pour fonctionner. Ils la décrivent comme un effort visant à rendre l’ensemble du processus « vert », en produisant de l’hydrogène avec de l’électricité renouvelable d’une manière à la fois abordable et déployable à grande échelle.
L’hydrogène est aujourd’hui largement considéré comme un élément clé de la décarbonation des industries difficiles à électrifier directement, telles que la sidérurgie, le transport maritime et le transport routier lourd. Cependant, l’essentiel de l’hydrogène est actuellement produit soit au moyen de procédés reposant sur les combustibles fossiles, soit par des procédés qui dépendent d’une eau propre relativement rare et difficilement accessible.
Un potentiel considérable pour l’hydrogène
Interrogé sur les avantages potentiels pour les industries des énergies renouvelables, Ul Haq a déclaré que l’un des bénéfices les plus directs de leur méthode résidait dans son rapport coût-efficacité et sa simplicité.
« Si des catalyseurs comme celui-ci peuvent fonctionner de manière fiable avec de l’eau de mer non traitée ou légèrement traitée plutôt qu’avec de l’eau purifiée, cela retirerait un coût et une charge d’infrastructure majeurs de la production d’hydrogène vert, sans qu’il soit nécessaire de recourir à un dessalement ou à une purification de l’eau coûteux juste pour alimenter un électrolyseur », a-t-il ajouté. « C’est particulièrement précieux pour les installations industrielles côtières, les nations insulaires ou toute région proche de l’océan mais manquant d’eau douce. »
Le catalyseur des auteurs est particulièrement significatif dans la mesure où l’industrie de la production d’hydrogène s’est engagée dans une démarche concertée en faveur de catalyseurs métalliques abordables et abondants sur Terre. Actuellement, de nombreux catalyseurs de scission de l’eau les plus performants reposent sur des métaux rares et coûteux tels que le platine ou l’iridium.
Les auteurs utilisent du nickel, un matériau abondant et peu coûteux ; du cérium, disponible en quantité modérée ; et du phosphate, un composant extrêmement courant et à bas coût. Le Dr Ul Haq a décrit cette combinaison comme « bien plus réaliste à fabriquer à l’échelle industrielle » que bien d’autres alternatives actuellement utilisées par l’industrie.
Autre avantage, selon les auteurs : leur technologie est considérablement plus résistante à la corrosion en milieu salin, tandis que de nombreux catalyseurs existants se dégradent rapidement dans l’eau de mer réelle, ce qui les rend non viables sur le plan commercial.
Malgré ces avantages, les auteurs précisent clairement que leur système catalytique a démontré un fonctionnement stable pendant 80 heures, ce qui reste en deçà de ce qu’une usine à l’échelle commerciale exigerait au final.
« Néanmoins, c’est un premier signal significatif du fait que la stratégie de résistance à la corrosion tient le coup dans des conditions salines réalistes, et pas seulement en théorie », a conclu le Dr Ul Haq.
Article : Coupling electronic modulation with oxyanion chemistry for chloride-resistant seawater electrolysis – Journal : Chemical Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Sharjah U
