Le laboratoire national d’Argonne a mis au point un catalyseur peu coûteux à base de cobalt qui favorise une extraction efficace de l’hydrogène à partir de l’eau. Cette innovation est une étape clé dans la réalisation de l’objectif du DOE de réduire de manière significative les coûts de production d’hydrogène vert.
Un nouveau catalyseur réduit les coûts associés à la production d’hydrogène écologique à partir de l’eau.
Une source abondante d’énergie propre se cache à la vue de tous. Il s’agit de l’hydrogène qui peut être extrait de l’eau (H2O) à l’aide d’énergies renouvelables. Les chercheurs sont à la recherche de stratégies rentables pour produire de l’hydrogène propre à partir de l’eau, dans le but de remplacer les combustibles fossiles et de lutter contre le changement climatique.
L’hydrogène est une puissante source d’énergie pour les véhicules, n’émettant rien d’autre que de l’eau. Il joue également un rôle crucial dans plusieurs processus industriels, notamment dans la production d’acier et d’ammoniac. L’utilisation d’hydrogène plus propre dans ces industries serait extrêmement bénéfique.
Une équipe multi-institutionnelle dirigée par le laboratoire national Argonne du ministère américain de l’énergie (DOE) a mis au point un catalyseur peu coûteux pour un processus qui produit de l’hydrogène propre à partir de l’eau. Parmi les autres contributeurs figurent les Sandia National Laboratories et Lawrence Berkeley National Laboratory du ministère de l’énergie, 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 est également membre de 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 processus. Ils peuvent séparer l’eau en hydrogène et en oxygène avec une plus grande efficacité à une température proche de la température ambiante. La demande énergétique réduite en fait un choix idéal pour produire de l’hydrogène propre en utilisant des sources renouvelables mais intermittentes, telles que le solaire et l’éolien.
Le chimiste principal Di-Jia Liu inspecte un échantillon de catalyseur à l’intérieur d’un four tubulaire après traitement thermique, tandis que le post-doctorant Chenzhao Li transporte un réacteur sous pression pour la synthèse de catalyseurs. Crédit : Argonne National Laboratory
Cet électrolyseur fonctionne avec des catalyseurs distincts pour chacune de ses électrodes (cathode et anode). Le catalyseur de la cathode produit de l’hydrogène, tandis que celui de l’anode forme de l’oxygène. Le problème est que le catalyseur de l’anode utilise de l’iridium, dont le prix sur le marché est actuellement d’environ 5 000 dollars l’once. Le manque d’approvisionnement et le coût élevé de l’iridium constituent un obstacle majeur à l’adoption généralisée des électrolyseurs PEM.
Le principal ingrédient 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 M. Liu. En utilisant le catalyseur à base de cobalt préparé par notre méthode, on pourrait éliminer le principal goulot d’étranglement que constitue le coût de la production d’hydrogène propre dans un électrolyseur.
Giner Inc, une société de recherche et développement de premier plan qui travaille à la commercialisation d’électrolyseurs et de piles à combustible, a évalué le nouveau catalyseur en utilisant ses stations d’essai d’électrolyseurs PEM dans des conditions d’exploitation industrielles. Les performances et la durabilité ont largement dépassé celles des catalyseurs concurrents.
Pour améliorer les performances du catalyseur, il est important de comprendre 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 les 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 en utilisant la microscopie électronique au 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 de la surface du nouveau catalyseur à différents stades de préparation », a déclaré Jianguo Wen, un scientifique d’Argonne spécialisé dans les matériaux.
En outre, la modélisation informatique réalisée au Berkeley Lab a révélé des informations importantes sur la durabilité du catalyseur dans les conditions de réaction.
L’accomplissement 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 d’abaisser le coût de production de l’hydrogène vert à un dollar par kilogramme en l’espace d’une décennie. La production d’hydrogène vert à ce coût pourrait remodeler l’économie du pays. Les applications comprennent le réseau électrique, l’industrie manufacturière, les transports et le chauffage résidentiel et commercial.
« Plus généralement, nos résultats ouvrent une voie prometteuse pour le remplacement des catalyseurs fabriqués à partir de métaux précieux coûteux par des éléments beaucoup moins onéreux et plus abondants », a souligné M. Liu.
Référence : « La- and Mn-doped cobalt spinel oxygen evolution catalyst for proton exchange membrane electrolysis » par Lina Chong, Guoping Gao, Jianguo Wen, Haixia Li, Haiping Xu, Zach Green, Joshua D. Sugar, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu, Xiao-Min Lin, Hui Xu, Lin-Wang Wang et Di-Jia Liu, 11 mai 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.ade1499
Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, ainsi que par le financement de la recherche et du développement du laboratoire d’Argonne.