La production d’hydrogène durable et respectueuse de l’environnement est un enjeu majeur pour répondre aux besoins énergétiques croissants de notre société. Les chercheurs du RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) au Japon, dirigés par Ryuhei Nakamura, ont fait un pas de plus vers cet objectif en améliorant leur méthode d’extraction de l’hydrogène à partir de l’eau, grâce à un catalyseur sur mesure pour la réaction chimique.
Une avancée significative dans l’électrolyse de l’eau
Publiée dans la revue Nature Catalysis, l’étude détaille comment les chercheurs ont manipulé la structure 3D du catalyseur, ce qui a permis d’améliorer sa stabilité et d’augmenter sa durée de vie de près de 4 000%. Ces résultats ont un impact sur la capacité à atteindre une économie énergétique durable basée sur l’hydrogène.
L’électrolyse de l’eau utilisant des membranes échangeuses de protons est un processus électrochimique vert permettant de diviser l’eau en oxygène et en hydrogène. L’hydrogène ainsi produit peut ensuite être stocké et utilisé ultérieurement, par exemple pour alimenter une voiture électrique lorsqu’il est combiné à une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM).
Les défis de l’électrolyse PEM à grande échelle
Cependant, l’électrolyse PEM présente encore des limites qui empêchent son utilisation industrielle à grande échelle, notamment dans les centrales électriques. En particulier, les réactions chimiques nécessaires se produisent dans un environnement très acide, et les meilleurs catalyseurs pour ces réactions sont des métaux de terres rares extrêmement rares, comme l’iridium.
Comme l’explique Ryuhei Nakamura, « le passage à l’échelle térawatt de l’électrolyse PEM nécessiterait 40 ans de production d’iridium, ce qui est certainement peu pratique et très peu durable. »
Un catalyseur abondant et durable
Il y a près de deux ans, Ryuhei Nakamura et son équipe ont mis au point un processus révolutionnaire permettant l’électrolyse de l’eau acide sans recourir aux métaux de terres rares. En insérant du manganèse dans un réseau d’oxyde de cobalt, ils ont créé un processus qui ne reposait que sur des métaux communs et durables.
Malgré ce succès, le processus n’était pas encore aussi stable qu’il devrait l’être dans un électrolyseur PEM. Aujourd’hui, les chercheurs ont développé un catalyseur abondant et durable qui dure plus longtemps.
La clé : modifier la structure du réseau du catalyseur
Le nouveau catalyseur est une forme d’oxyde de manganèse (MnO2). La découverte clé a été que la stabilité de la réaction pouvait être augmentée de plus de 40 fois en modifiant la structure du réseau du catalyseur.
L’oxygène dans la structure 3D en réseau de l’oxyde de manganèse se présente sous deux configurations, planaire et pyramidale. La version planaire forme des liaisons plus fortes avec le manganèse, et les chercheurs ont découvert que l’augmentation de la quantité d’oxygène planaire dans le réseau améliorait considérablement la stabilité catalytique.
Des résultats prometteurs pour l’avenir
Lorsqu’il a été testé dans un électrolyseur PEM, l’électrolyse de l’eau a pu être maintenue pendant environ 6 semaines à 200 mA/cm2. La quantité totale d’eau électrolysée pendant cette période, et donc la quantité d’hydrogène produite, était 10 fois supérieure à ce qui avait été obtenu jusqu’à présent avec d’autres catalyseurs non rares.
« De manière surprenante », déclare Shuang Kong, co-premier auteur, « l’amélioration de la stabilité ne s’est pas faite au détriment de l’activité, ce qui est généralement le cas. Un électrolyseur d’eau PEM qui génère de l’hydrogène avec un catalyseur abondant à un taux de 200 mA/cm2 est très efficace. »
Il reste encore du travail à faire. Les applications industrielles nécessitent généralement une densité de courant stable de 1000 mA/cm2 qui dure plusieurs années, plutôt qu’un mois. Néanmoins, les chercheurs pensent que des applications tangibles et réelles seront finalement possibles et contribueront à la neutralité carbone.
« Nous continuerons à modifier la structure du catalyseur pour augmenter à la fois la densité de courant et la durée de vie du catalyseur », ajoute Ryuhei Nakamura. « À long terme, nos efforts devraient contribuer à atteindre l’objectif ultime de toutes les parties prenantes : conduire l’électrolyse de l’eau PEM sans utiliser d’iridium. »
En attendant, les chercheurs espèrent que leurs découvertes susciteront un intérêt public accru pour la production d’hydrogène durable en tant que solution réaliste pour ralentir le changement climatique lié aux combustibles fossiles.
Légende illustration : Electrolyseur d’eau à membrane d’échange de protons (PEM) utilisant de l’oxyde de manganèse. Crédit : RIKEN
Article : « Acid-stable manganese oxides for proton exchange membrane water electrolysis » – DOI: 10.1038/s41929-023-01091-3
