Nouveau catalyseur écoresponsable : l’eau au service de la production durable d’hydrogène vert

ParisLes chercheurs ont mis au point un nouveau catalyseur pour produire de l’hydrogène vert. Les méthodes traditionnelles utilisent le méthane, un type de combustible fossile, ce qui émet beaucoup de dioxyde de carbone nuisible pour l’environnement. Une solution plus écologique est l’électrolyse de l’eau, surtout si elle utilise de l'énergie renouvelable. Cependant, cela nécessite des catalyseurs efficaces pour dissocier l'eau en hydrogène et oxygène. Habituellement, cela requiert des éléments rares comme le platine et l’iridium.

La technologie des membranes échangeuses de protons (PEM) est une méthode prometteuse pour l'électrolyse de l'eau en raison de ses taux élevés et de son efficacité énergétique. Cependant, les systèmes PEM dépendent actuellement de l'iridium pour leurs catalyseurs d'anode. L'iridium, rare et coûteux, freine la production à grande échelle d'hydrogène vert. Récemment, un groupe de scientifiques a fait des avancées en trouvant des alternatives à l'iridium. Ils ont mis au point un nouveau catalyseur qui utilise les propriétés de l'eau pour garantir la stabilité et l'efficacité de la production d'hydrogène vert. Ce catalyseur ne repose pas sur l'iridium.

L'équipe de recherche, dirigée par le Prof. F. Pelayo García de Arquer, comprend des membres de l'ICFO, tels que Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anku Guha, Dr. Viktoria Golovanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das et Adrián Pinilla-Sánchez. D'autres collaborateurs proviennent de l'Institut de Recherche Chimique de Catalogne (ICIQ), de l'Institut Catalan des Nanosciences et Nanotechnologies (ICN2), du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France, du Diamond Light Source, et de l'Institut des Matériaux Avancés (INAM).

Les catalyseurs non iridiens rencontrent un problème majeur : ils se dégradent en milieu très acide. Les oxydes d’iridium, en revanche, sont stables et fonctionnent efficacement, ce qui explique leur utilisation répandue. Des essais ont été faits avec d'autres matériaux comme les oxydes de manganèse et de cobalt, mais ceux-ci ne résistent généralement pas aux niveaux de courant élevés nécessaires pour une utilisation industrielle.

La nouvelle méthode utilise le cobalt-tungstène (CoWO4 ou CWO) et implique un processus de délamination. Au cours de ce processus, les oxydes de tungstène (WO4 2-) sont remplacés par de l'eau (H2O) et des groupes hydroxyle (OH-). Cet environnement basique facilite l'intégration de l'eau dans la structure du catalyseur.

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Les chercheurs ont employé diverses techniques, telles que les spectroscopies infrarouge, Raman et à rayons X, pour analyser le nouveau matériau en fonctionnement. Ils ont découvert que l'eau piégée et les groupes hydroxyles jouaient un rôle crucial dans l'activité et la stabilité du matériau. La modélisation de Dr. Hind Benzidi a démontré que l'eau piégée contribuait à maintenir la stabilité du catalyseur dans des conditions acides.

Le catalyseur CoWO4 traité a été testé dans un réacteur PEM. Il a délivré une densité de courant de 1 A/cm² et est resté stable pendant plus de 600 heures, même à des densités de courant élevées.

Le nouveau catalyseur est beaucoup plus performant que les anciens qui n’utilisaient pas d’iridium. L'équipe pense que l'ajout d'eau et de groupes hydroxyles peut également améliorer d'autres matériaux. Actuellement, ils envisagent d’utiliser le manganèse et le nickel comme alternatives.

L'équipe a déjà déposé une demande de brevet pour leur nouveau catalyseur et prévoit de le produire à grande échelle. Le Prof. García de Arquer a mentionné qu'ils sont prêts à tester tous les éléments si nécessaire. Ranit Ram a ajouté que promouvoir les énergies renouvelables aide à lutter contre le changement climatique. Cette nouvelle avancée nous rapproche d'une production durable d'hydrogène sans recourir à des matériaux rares comme l'iridium.