Observation à l’échelle nanométrique d’une réaction qui limite l’efficacité de la production d’hydrogène carburant

Grâce à une nouvelle série d’outils, les scientifiques ont découvert avec une précision sans précédent comment de minuscules particules de catalyseur en forme de plaque effectuent une étape clé de cette conversion, à savoir le dégagement d’oxygène dans une cellule électrocatalytique.

Pour passer des combustibles fossiles à une économie de l’hydrogène propre, il faudra trouver des moyens moins chers et plus efficaces d’utiliser des sources d’électricité renouvelables pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène.

Mais une étape clé de ce processus, connue sous le nom de réaction d’évolution de l’oxygène (OER), s’est révélée être un goulot d’étranglement. Aujourd’hui, son efficacité n’est que de 75 % environ, et les catalyseurs à base de métaux précieux utilisés pour accélérer la réaction, comme le platine et l’iridium, sont rares et coûteux.

Aujourd’hui, une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l’université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie a mis au point une série d’outils avancés permettant de supprimer ce goulot d’étranglement et d’améliorer d’autres processus liés à l’énergie, par exemple en trouvant des moyens de charger plus rapidement les batteries au lithium-ion. L’équipe de recherche a décrit ses travaux dans la revue Nature.

Travaillant à Stanford, au SLAC, au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE et à l’université Warwick au Royaume-Uni, ils ont pu zoomer sur des nanoparticules catalytiques individuelles – en forme de petites plaques et environ 200 fois plus petites qu’un globule rouge – et les observer accélérer la production d’oxygène à l’intérieur de cellules électrochimiques sur mesure, dont une qui tient dans une goutte d’eau.

Ils ont découvert que la majeure partie de l’activité catalytique avait lieu sur les bords des particules et ils ont pu observer les interactions chimiques entre la particule et l’électrolyte environnant à l’échelle de milliardièmes de mètre lorsqu’ils augmentaient la tension pour déclencher la réaction.

En combinant leurs observations avec des travaux de calcul antérieurs réalisés en collaboration avec l’Institut SUNCAT pour la science des interfaces et la catalyse au SLAC et à Stanford, ils ont pu identifier une étape unique de la réaction qui limite la vitesse à laquelle elle peut se dérouler.

« Cet ensemble de méthodes nous permet de savoir où, quoi et pourquoi ces matériaux électrocatalytiques fonctionnent dans des conditions d’exploitation réalistes« , a déclaré Tyler Mefford, un chercheur de Stanford et du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC qui a dirigé les recherches. « Maintenant que nous avons décrit comment utiliser cette plateforme, les applications sont extrêmement vastes.« 

Passage à l’économie de l’hydrogène

L’idée d’utiliser l’électricité pour décomposer l’eau en oxygène et en hydrogène remonte à 1800, lorsque deux chercheurs britanniques ont découvert qu’ils pouvaient utiliser le courant électrique produit par la batterie à pile nouvellement inventée par Alessandro Volta pour alimenter la réaction.

Ce processus, appelé électrolyse, fonctionne un peu comme une pile à l’envers : Plutôt que de générer de l’électricité, il utilise le courant électrique pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Les réactions qui génèrent l’hydrogène et l’oxygène gazeux ont lieu sur différentes électrodes, à l’aide de différents catalyseurs à base de métaux précieux.

L’hydrogène est une importante matière première chimique pour la production d’ammoniac et le raffinage de l’acier, et il est de plus en plus souvent envisagé comme un carburant propre pour le transport lourd et le stockage d’énergie à long terme. Mais plus de 95 % de l’hydrogène produit aujourd’hui provient du gaz naturel par des réactions qui émettent du dioxyde de carbone comme sous-produit. La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau alimentée par de l’électricité provenant de sources solaires, éoliennes et autres sources durables permettrait de réduire considérablement les émissions de carbone dans un certain nombre d’industries importantes.

Mais pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau à une échelle suffisante pour alimenter une économie verte, les scientifiques devront rendre l’autre moitié de la réaction de séparation de l’eau – celle qui génère de l’oxygène – beaucoup plus efficace, et trouver des moyens de la faire fonctionner avec des catalyseurs basés sur des métaux beaucoup moins chers et plus abondants que ceux utilisés aujourd’hui.

« Il n’y a pas assez de métaux précieux dans le monde pour alimenter cette réaction à l’échelle dont nous avons besoin« , a déclaré M. Mefford, « et leur coût est si élevé que l’hydrogène qu’ils génèrent ne pourrait jamais concurrencer l’hydrogène dérivé des combustibles fossiles.« 

L’amélioration du processus nécessitera une bien meilleure compréhension du fonctionnement des catalyseurs de séparation de l’eau, avec suffisamment de détails pour que les scientifiques puissent prévoir ce qui peut être fait pour les améliorer. Jusqu’à présent, la plupart des meilleures techniques permettant de faire ces observations ne fonctionnaient pas dans l’environnement liquide d’un réacteur électrocatalytique.

Dans cette étude, les scientifiques ont trouvé plusieurs moyens de contourner ces limitations et d’obtenir une image plus nette que jamais.

CRÉDIT : Tyler Mefford et Andrew Akbashev/Stanford University

Citation : J. Tyler Mefford et al., Nature, 6 mai 2021 (10.1038/s41586-021-03454-x)

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