Une nouvelle avancée dans la production propre d’hydrogène pourrait bousculer l’industrie de l’énergie renouvelable. Des chercheurs ont mis au point un catalyseur peu coûteux et facile à fabriquer, le nickel-fer-molybdène-phosphore ancré sur de la mousse de nickel (NiFeMo-P-C), qui permet de réduire considérablement la quantité d’électricité nécessaire pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène à partir de l’eau.
Cette avancée ouvre la voie à une production d’hydrogène propre et efficace.
Un catalyseur prometteur pour l’électrolyse de l’eau
Une équipe d’éminents ingénieurs chimistes a récemment synthétisé un catalyseur rentable et facile à fabriquer, conçu pour réduire la quantité d’énergie nécessaire à l’électrolyse de l’eau, qui consiste à séparer les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide de l’électricité.
L’hydrogène et l’oxygène sont obtenus à partir de l’eau respectivement par la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER). L’alliage de métaux de transition nickel-fer-molybdène (NiFeMo) a été utilisé comme catalyseur pour l’électrolyse de l’eau en raison de la présence d’orbitales électroniques incomplètes dans les atomes de nickel et de fer, ce qui en fait un excellent donneur et accepteur d’électrons dans les réactions chimiques.
Du phosphore a été ajouté au catalyseur pour améliorer sa résistance à la corrosion dans une solution électrolytique alcaline, ou de pH basique.
L’équipe a publié les résultats de son étude dans Nano Research Energy le 7 juillet.
« L’hydrogène est reconnu comme l’alternative idéale aux combustibles fossiles »
« L’hydrogène est reconnu comme l’alternative idéale aux combustibles fossiles en raison de sa densité énergétique élevée, de son rendement élevé de conversion de chaleur et de son absence d’émission de carbone« , explique Jingjing Tang, superviseur de l’étude et professeur agrégé à l’Université du Centre-Sud en Chine. « Cependant, les méthodes de production d’hydrogène couramment appliquées dans l’industrie, notamment le reformage à la vapeur du gaz naturel et du méthanol et la gazéification du charbon, consomment des combustibles fossiles et causent une grave pollution de l’environnement.«
« L’électrolyse de l’eau utilise l’eau comme matière première pour produire de l’hydrogène de haute pureté en convertissant l’électricité en énergie chimique. C’est une technologie prometteuse de production d’hydrogène propre« , ajoute le professeur.
Un catalyseur peu coûteux et durable
Des catalyseurs permettant de réduire l’énergie nécessaire aux réactions HER et OER existaient déjà, mais ils utilisaient du platine et de l’oxyde d’iridium, des éléments précieux à la fois coûteux et peu abondants. La création d’un catalyseur abordable réduisant l’énergie d’activation des deux réactions permet de diminuer les coûts de fabrication globaux et d’améliorer la viabilité commerciale de la production d’hydrogène propre.
L’un des défis dans la conception d’un catalyseur bifonctionnel était les exigences particulières de la réaction OER. « Parce que la OER est une réaction de transfert de quatre électrons avec une cinétique lente, elle se comporte généralement mieux en solution alcaline. Il était donc essentiel de rechercher des électrocatalyseurs à base de métaux non nobles présentant d’excellentes performances bifonctionnelles dans un électrolyte alcalin« , précise le professeur Tang.
L’équipe a créé l’alliage et le phosphure de métal pour maintenir l’intégrité du catalyseur dans ces conditions alcalines. Elle reste optimiste quant à l’impact de cette découverte sur la production d’hydrogène propre.
« Contrairement à la plupart des catalyseurs bifonctionnels, NiFeMo-P-C peut atteindre d’excellentes performances catalytiques sans étapes de préparation complexes et nanostructures élaborées. De plus, la durabilité supérieure sans aucune atténuation pendant 50 heures… fait de NiFeMo-P-C un candidat idéal de catalyseur à base de métaux non précieux pour la production d’hydrogène à grande échelle« , indique pour conclure Jingjing Tang.
En synthèse
Cette nouvelle percée dans la catalyse de l’électrolyse de l’eau est prometteuse pour le développement de méthodes de production d’hydrogène propre et durable. Le nouveau catalyseur NiFeMo-P-C permet de réduire considérablement l’énergie nécessaire à la dissociation de l’eau en hydrogène et oxygène.
Sa fabrication simple et son faible coût en font une alternative viable aux méthodes de production d’hydrogène polluantes basées sur les énergies fossiles. Si ces résultats se confirment à plus grande échelle, cette avancée pourrait contribuer à l’avènement d’une économie de l’hydrogène propre et renouvelable.
Pour une meilleure compréhension
Quel est l’intérêt de produire de l’hydrogène à partir de l’eau ?
L’hydrogène produit par électrolyse de l’eau est une source d’énergie propre, contrairement aux méthodes industrielles actuelles basées sur les énergies fossiles qui émettent du CO2.
Comment fonctionne l’électrolyse de l’eau ?
L’électrolyse de l’eau consiste à dissocier les molécules d’eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2) grâce à un courant électrique et à un catalyseur.
Quel est l’intérêt du nouveau catalyseur NiFeMo-P-C ?
Ce catalyseur réduit considérablement l’énergie électrique nécessaire à l’électrolyse de l’eau. De plus, il est peu coûteux et facile à fabriquer.
Comment fonctionne ce catalyseur ?
L’alliage NiFeMo facilite les réactions d’évolution de l’hydrogène et de l’oxygène. Le phosphore améliore sa résistance en milieu alcalin utilisé pour l’électrolyse.
Quels sont les avantages par rapport aux catalyseurs existants ?
Ce catalyseur ne nécessite pas de métaux précieux comme le platine, coûteux et rares. Il est plus durable que les catalyseurs précédents.
Légende illustration secondaire : Schéma supérieur : Le catalyseur NiFeMo-P-C est synthétisé en mélangeant une solution aqueuse de sels métalliques et d’hypophosphite de sodium, un sel de sodium d’un acide contenant du phosphore, avec de la mousse de nickel traitée et en soumettant la solution à une réaction hydrothermale simple et peu coûteuse qui augmente la température et la pression de la solution dans la cuve de réaction. Le produit intermédiaire [image du milieu au microscope électronique à balayage (MEB)] est ensuite chargé d’alliage et de phosphure métallique par réduction thermique H2/Ar (hydrogène/argon) (ajout d’électrons aux ions métalliques à l’aide d’hydrogène et de chaleur) pour créer le produit catalytique final (image MEB de droite). Graphiques du bas : Graphiques illustrant la voltampérométrie linéaire, ou la densité de courant de l’électrode de travail dans la réaction de dégagement d’hydrogène (graphique de gauche) et la réaction de dégagement d’oxygène (graphique de droite) à différents potentiels, en fonction du catalyseur utilisé. La performance du NiFeMo-P-C est indiquée en rouge.
Article : « In-situ fabrication of carbon compound NiFeMo-P anchored on nickel foam as bi-functional catalyst for boosting overall water splitting » – DOI: 10.26599/NRE.2023.9120086
