Des chercheurs ont progressé dans le développement de catalyseurs à base d’iridium utilisés dans l’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE), un processus utilisé pour produire de l’hydrogène vert à partir de sources d’énergie renouvelables. L’équipe a découvert un mécanisme assisté par l’eau en treillis qui peut augmenter l’efficacité d’un catalyseur à base d’oxyde d’iridium de 5 à 12 %, ce qui se traduit par un rendement énergétique plus élevé et une consommation d’énergie moindre.
Des scientifiques ont amélioré de 5 à 12 % l’efficacité des catalyseurs à base d’iridium utilisés dans la production d’hydrogène vert. Cela réduit la quantité d’iridium nécessaire, un élément rare, ce qui rend le processus plus rentable et fait progresser les efforts en vue d’une société neutre en carbone.
La course pour faire de l’utilisation généralisée des énergies renouvelables intermittentes une réalité a fait un pas en avant grâce à de nouvelles recherches menées par des experts de l’Université d’Adélaïde qui améliorent l’efficacité des catalyseurs à base d’iridium.
« Actuellement, il est difficile pour les catalyseurs commerciaux à base d’oxyde d’iridium d’atteindre une activité et une stabilité élevées en même temps dans l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (PEMWE) », a déclaré Yao Zheng, professeur associé à l’université d’Adélaïde et ARC Future Fellow à l’école de génie chimique.
« Nous avons découvert qu’un mécanisme assisté par l’eau en treillis – une façon d’arranger les molécules d’eau selon un schéma spécifique – augmente l’efficacité d’un catalyseur à l’oxyde d’iridium de 5 à 12 pour cent, ce qui se traduit par un rendement énergétique plus élevé tout en consommant moins d’énergie.
« Le fractionnement de l’eau à l’aide de PEMWE est une méthode prometteuse pour produire de l’hydrogène vert. Cependant, seuls les électrocatalyseurs à base d’iridium peuvent être utilisés car l’élément peut résister aux conditions acides difficiles qui se produisent au cours de la réaction. »
L’utilisation d’électricité renouvelable est l’une des solutions les plus attrayantes pour produire de l’hydrogène vert, en particulier en utilisant la technique PEMWE, qui pourrait fonctionner avec une réponse rapide et une densité de courant élevée. L’hydrogène a été décrit comme le carburant à faibles émissions de l’avenir.
L’iridium est l’un des éléments les plus rares sur Terre. On le trouve non combiné dans la nature, dans les sédiments déposés par les rivières. Il est récupéré commercialement comme sous-produit du raffinage du nickel. Une très fine couche d’iridium existe dans la croûte terrestre. L’Afrique du Sud est le plus grand producteur d’iridium.
« La production mondiale d’iridium étant très limitée, il est très important de réduire la quantité utilisée dans ces types de catalyseurs », a déclaré le professeur associé Zheng.
« Avec le mécanisme d’échange d’oxygène assisté par l’eau en treillis qui montre la possibilité d’une efficacité et d’une stabilité plus élevées dans un électrolyseur d’eau à membrane échangeuse de protons, la quantité d’iridium peut être réduite et le coût de la production d’hydrogène vert peut être diminué efficacement.
« Nos résultats vérifient non seulement la viabilité d’un catalyseur anodique à faible charge à base d’iridium pour le PEMWE, mais fournissent également de nouvelles idées pour modifier le mécanisme d’échange d’oxygène en vue de la conception d’un catalyseur de réaction de dégagement de l’oxygène (OER) à haute performance.
« Avec de l’hydrogène vert moins cher, une société neutre en carbone pourrait être construite dès que possible, et les problèmes climatiques associés pourraient être efficacement réduits. »
Les travaux de l’équipe ont été entrepris au niveau fondamental. D’autres recherches doivent être menées sur la manière de mettre à l’échelle la nouvelle synthèse. Leurs résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Référence : « IrOx-nH2O with lattice-water-assisted oxygen exchange for high performance proton exchange membrane water electrolyzer » 23 juin 2023, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.adh1718