Extraire un carburant propre de l'eau

Mar 15, 2023

Un approvisionnement abondant en énergie propre se cache à la vue de tous. C'est l'hydrogène que nous pouvons extraire de l'eau (H2O) en utilisant une énergie renouvelable. Les scientifiques recherchent des méthodes peu coûteuses pour produire de l'hydrogène propre à partir de l'eau afin de remplacer les combustibles fossiles, dans le cadre de la lutte contre le changement climatique.

L'hydrogène peut propulser des véhicules tout en n'émettant que de l'eau. L'hydrogène est également un produit chimique important pour de nombreux processus industriels, notamment dans la fabrication de l'acier et la production d'ammoniac. L'utilisation d'hydrogène plus propre est hautement souhaitable dans ces industries.

Une équipe multi-institutionnelle dirigée par le Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE)a développé un catalyseur à faible coût pour un processus qui produit de l'hydrogène propre à partir de l'eau. Les autres contributeurs incluent les laboratoires nationaux Sandia du DOE et le laboratoire national Lawrence Berkeley, ainsi que Giner Inc.

"Un processus appelé électrolyse produit de l'hydrogène et de l'oxygène à partir de l'eau et existe depuis plus d'un siècle", a déclaré Di-Jia Liu, chimiste principal à Argonne. Il détient également une nomination conjointe à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago.

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) représentent une nouvelle génération de technologie pour ce procédé. Ils peuvent diviser l'eau en hydrogène et en oxygène avec une plus grande efficacité à température ambiante proche. La demande énergétique réduite en fait un choix idéal pour produire de l'hydrogène propre en utilisant des sources renouvelables mais intermittentes, telles que l'énergie solaire et éolienne.

Cet électrolyseur fonctionne avec des catalyseurs séparés pour chacune de ses électrodes (cathode et anode). Le catalyseur de cathode produit de l'hydrogène, tandis que le catalyseur d'anode forme de l'oxygène. Un problème est que le catalyseur d'anode utilise de l'iridium, qui a un prix actuel sur le marché d'environ 5 000 $ l'once. Le manque d'approvisionnement et le coût élevé de l'iridium constituent un obstacle majeur à l'adoption généralisée des électrolyseurs PEM.

L'ingrédient principal du nouveau catalyseur est le cobalt, qui est nettement moins cher que l'iridium. "Nous avons cherché à développer un catalyseur d'anode à faible coût dans un électrolyseur PEM qui génère de l'hydrogène à haut débit tout en consommant un minimum d'énergie", a déclaré Liu. "En utilisant le catalyseur à base de cobalt préparé par notre méthode, on pourrait éliminer le principal goulot d'étranglement des coûts de production d'hydrogène propre dans un électrolyseur."

Giner Inc., une société de recherche et développement de premier plan travaillant à la commercialisation d'électrolyseurs et de piles à combustible, a évalué le nouveau catalyseur à l'aide de ses stations d'essai d'électrolyseurs PEM dans des conditions de fonctionnement industrielles. Les performances et la durabilité dépassent de loin celles des catalyseurs des concurrents.

Il est important de faire progresser les performances du catalyseur en comprenant le mécanisme de réaction à l'échelle atomique dans les conditions de fonctionnement de l'électrolyseur. L'équipe a déchiffré les changements structurels critiques qui se produisent dans le catalyseur dans des conditions de fonctionnement en utilisant des analyses aux rayons X à l'Advanced Photon Source (APS) à Argonne. Ils ont également identifié les principales caractéristiques du catalyseur à l'aide de la microscopie électronique à Sandia Labs et au Center for Nanoscale Materials (CNM) d'Argonne. L'APS et le CNM sont tous deux des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science.

"Nous avons imagé la structure atomique à la surface du nouveau catalyseur à différents stades de préparation", a déclaré Jianguo Wen, scientifique des matériaux à Argonne.

De plus, la modélisation informatique au Berkeley Lab a révélé des informations importantes sur la durabilité du catalyseur dans des conditions de réaction.

La réalisation de l'équipe est un pas en avant dans l'initiative Hydrogen Energy Earthshot du DOE, qui imite le "Moon Shot" du programme spatial américain des années 1960. Son objectif ambitieux est de réduire le coût de la production d'hydrogène vert à un dollar par kilogramme en une décennie. La production d'hydrogène vert à ce prix pourrait remodeler l'économie nationale. Les applications incluent le réseau électrique, la fabrication, le transport et le chauffage résidentiel et commercial.

"Plus généralement, nos résultats ouvrent une voie prometteuse pour remplacer les catalyseurs fabriqués à partir de métaux précieux coûteux par des éléments beaucoup moins chers et plus abondants", a noté Liu.

Cette recherche a été publiée dans Science et a été soutenue par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, le Bureau des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible, ainsi que par le financement de la recherche et du développement dirigés par le laboratoire d'Argonne.

En plus de Liu, les auteurs d'Argonne sont Lina Chong (maintenant à l'Université Jiao Tong de Shanghai), Jianguo Wen, Haiping Xu, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu et Xiao-Min Lin. Les auteurs de Berkeley Lab incluent Guoping Gao, Haixia Li et Ling-Wang Wang. L'auteur de Sandia Labs est Joshua D. Sugar. Les contributeurs Zach Green et Hui Xu sont de Giner Inc.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site du Laboratoire National d'Argonne