Sphères de chitosane : une solution prometteuse pour le stockage d’hydrogène

Une équipe de recherche innovante explore l’utilisation de sphères de biomolécules flexibles dérivées des déchets de crevettes pour le développement de catalyseurs générant de l’hydrogène. Cette démarche présente un potentiel remarquable pour le stockage sécurisé et efficace de l’hydrogène. Cette découverte, présentée dans un article de la revue Green Chemistry, ouvre des perspectives considérables pour l’avenir de l’énergie.

Depuis 2020, le groupe de Catalyse Hétérogène & Chimie Durable de l’Université d’Amsterdam (UvA) concentre ses recherches sur l’utilisation des sels de borohydrure de métal alcalin comme porteurs d’hydrogène. Ces sels solides peuvent être stockés en toute sécurité dans des conditions ambiantes et ne libèrent de l’hydrogène que lorsqu’ils réagissent avec de l’eau.

Cependant, maîtriser la libération d’hydrogène pour prévenir les réactions en chaîne non contrôlées reste un défi. L’une des solutions consiste à stabiliser la solution avec une base, puis à contrôler la libération d’hydrogène à l’aide d’un catalyseur. L’équipe de l’UvA, dirigée par le Prof. Gadi Rothenberg, développe de tels catalyseurs en collaboration avec le Centre autrichien de compétence en tribologie (AC2T) et la société Electriq Global.

La destruction des particules de catalyseur par l’hydrogène

Si la découverte de catalyseurs potentiels est aisée, assurer leur longévité nécessaire à une viabilité commerciale ne l’est pas. La combinaison d’un pH réactionnel élevé et la libération continue de bulles d’hydrogène détruit les catalyseurs traditionnels en quelques jours.

Par exemple, l’équipe a réussi à concevoir des particules de catalyseur à base de cobalt extrêmement actives et sélectives. Cependant, leur grande activité engendre un volume élevé d’hydrogène qui détruit rapidement ces particules.

Un virage décisif avec le chitosane

Un tournant décisif est survenu lorsqu’un groupe d’étudiants a décidé de tenter d’encapsuler les particules de cobalt dans des sphères de chitosane.

Le chitosane est un polymère naturel dérivé de la chitine, principal composant des exosquelettes d’insectes et des coquilles de crustacés. C’est un matériau biodégradable et biocompatible, largement disponible à grande échelle, principalement produit à partir de déchets de carapaces de crevettes et de crabes.

Les groupes amines récurrents sur le squelette du chitosane le rendent très soluble dans les solutions acides aqueuses mais peu soluble dans les solutions basiques. Les sphères de chitosane peuvent donc être facilement produites en versant le chitosane liquide dans une solution basique. Une propriété cruciale des sphères de chitosane est leur flexibilité, qui leur permet de se dilater lors de la génération d’hydrogène. Ainsi, elles peuvent « exhaler » les bulles d’hydrogène sans se briser. De plus, comme elles sont fabriquées à un pH élevé, la basicité de la solution de borohydrure ne pose pas de problème.

Le potentiel réel des catalyseurs à base de chitosane

L’équipe a testé les nouveaux catalyseurs en modes batch et continu, en surveillant les réactions par la mesure du flux d’hydrogène généré. Quelques sphères de quelques millimètres chargées de 7% de cobalt ont suffi pour générer 40 mL d’hydrogène par minute dans un réacteur continu pendant deux jours, montrant le potentiel réel de ce nouveau catalyseur.

Le professeur Rothenberg souligne l’importance de la stabilité du catalyseur en tant que point d’attention pour les recherches. Il souligne qu’un catalyseur efficace doit fonctionner pendant des mois, voire des années, pour être économiquement viable, bien que « nous n’y soyons pas encore.

Les défis du stockage de l’hydrogène

L’hydrogène peut être le vecteur énergétique du futur, mais il présente ses propres défis. Lorsqu’il est stocké sous forme de gaz comprimé ou de liquide, l’hydrogène moléculaire (H2) est hautement énergivore. Cela peut être un avantage dans certaines applications, mais un risque pour d’autres. Pour le stockage à moyenne échelle et la libération sur des installations mobiles, telles que les grues, les navires et les générateurs, d’autres modes de stockage de l’hydrogène sont préférables.

Il existe de nombreuses formes de vecteurs d’hydrogène. Parmi les exemples présentant une grande capacité de stockage d’hydrogène figurent l’ammoniac, le méthanol, l’acide formique et d’autres. Chacun a ses avantages et ses inconvénients.

Le méthanol a une grande capacité (12,5% en poids), mais la déshydrogénation nécessite des températures élevées et peut émettre du CO2. L’ammoniac peut contaminer les flux d’H2 générés et est lui-même un gaz toxique dans des conditions ambiantes.

Comme alternative, les borohydrures alcalins peuvent fournir une source sûre d’hydrogène, le liant chimiquement sous forme de sel solide. Une réaction avec l’eau libère l’hydrogène, et le sous-produit du sel de métaborate résultant peut être retraité et réutilisé pour le stockage de l’hydrogène.

En synthèse

L’équipe de recherche de l’Université d’Amsterdam a réussi à exploiter des sphères flexibles de chitosane, une biomolécule dérivée des déchets de crevettes, pour créer des catalyseurs innovants capables de générer de l’hydrogène à partir de sels de borohydrure. Cette approche originale présente un potentiel considérable pour le stockage d’hydrogène sécurisé et efficace, offrant une perspective prometteuse pour l’avenir de l’énergie.

Pour une meilleure compréhension

Q: Qu’est-ce que le chitosane et pourquoi est-il important dans cette recherche?
R: Le chitosane est un polymère naturel dérivé de la chitine, le principal composant des exosquelettes d’insectes et des coquilles de crustacés. Il est biodégradable, biocompatible et largement disponible. Dans cette recherche, des sphères de chitosane ont été utilisées pour encapsuler des particules de cobalt, créant ainsi un catalyseur innovant pour la génération d’hydrogène.

Q: Pourquoi l’hydrogène est-il considéré comme le vecteur énergétique du futur?
R: L’hydrogène a une densité énergétique élevée et peut être produit à partir de diverses sources d’énergie renouvelable. Cependant, son stockage et sa libération sécurisés et efficaces représentent des défis majeurs que cette recherche tente de surmonter.

Q: Quels sont les avantages et les inconvénients des différents vecteurs d’hydrogène mentionnés?
R: L’ammoniac, le méthanol, l’acide formique, et d’autres ont une grande capacité de stockage d’hydrogène, mais chacun présente des défis spécifiques. Par exemple, la déshydrogénation du méthanol nécessite des températures élevées et peut émettre du CO2, tandis que l’ammoniac peut contaminer les flux d’H2 générés et est un gaz toxique dans des conditions ambiantes.

Installation expérimentale comprenant un réacteur en continu pour tester la libération d’hydrogène à partir de sels de borohydrure. (Image : HIMS)