Des scientifiques découvrent une nouvelle méthode durable pour produire de l’hydrogène destiné aux piles à combustible et aux engrais.

Une nouvelle méthode durable et pratique de production d’hydrogène à partir de l’eau a été découverte par une équipe de chercheurs du RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) au Japon, dirigée par Ryuhei Nakamura. Contrairement aux méthodes actuelles, la nouvelle méthode ne nécessite pas de métaux rares, qui sont chers ou en quantité limitée. Au lieu de cela, l’hydrogène pour les piles à combustible et les engrais agricoles peut désormais être produit à l’aide de cobalt et de manganèse, deux métaux assez courants. L’étude a été publiée dans Nature Catalysis.

Contrairement aux combustibles fossiles classiques qui génèrent du dioxyde de carbone lors de la combustion, l’hydrogène est un combustible propre qui ne produit que de l’eau comme sous-produit. Si l’hydrogène peut être extrait de l’eau à l’aide d’électricité renouvelable, le réseau énergétique peut devenir propre, renouvelable et durable. En outre, l’hydrogène est l’ingrédient clé nécessaire à la production d’ammoniac, qui est utilisé dans pratiquement tous les engrais synthétiques. Mais au lieu d’extraire proprement l’hydrogène de l’eau, les usines d’ammoniac utilisent actuellement des combustibles fossiles pour produire l’hydrogène dont elles ont besoin.

Alors pourquoi utilisons-nous encore des combustibles fossiles ? L’une des raisons est que le processus d’extraction de l’hydrogène lui-même – l’électrolyse – est coûteux et n’est pas encore durable.

“Cela est principalement dû à un manque de bons catalyseurs”, explique Nakamura. “En plus d’être capable de résister à l’environnement acide difficile, le catalyseur doit être très actif. Dans le cas contraire, la quantité d’électricité nécessaire à la réaction pour produire une quantité donnée d’hydrogène s’envole, et avec elle, le coût.”

Actuellement, les catalyseurs les plus actifs pour l’électrolyse de l’eau sont des métaux rares comme le platine et l’iridium, ce qui crée un dilemme car ils sont chers et considérés comme des “espèces en voie de disparition” parmi les métaux. Pour faire passer toute la planète à l’hydrogène dès maintenant, il faudrait produire de l’iridium pendant environ 800 ans, une quantité qui n’existe peut-être même pas. D’autre part, des métaux abondants comme le fer et le nickel ne sont pas assez actifs et ont tendance à se dissoudre immédiatement dans l’environnement acide de l’électrolyse.

Dans leur recherche d’un meilleur catalyseur, les chercheurs se sont intéressés aux oxydes mixtes de cobalt et de manganèse. Les oxydes de cobalt peuvent être actifs pour la réaction requise, mais se corrodent très rapidement dans l’environnement acide. Les oxydes de manganèse sont plus stables, mais ne sont pas assez actifs. En les combinant, les chercheurs espéraient tirer parti de leurs propriétés complémentaires. Ils ont également dû tenir compte de la forte densité de courant nécessaire pour une application pratique en dehors du laboratoire. “Pour la production d’hydrogène à l’échelle industrielle, nous devions fixer la densité de courant cible de notre étude à environ 10 à 100 fois plus élevée que ce qui a été utilisé dans les expériences précédentes”, explique le co-premier auteur Shuang Kong. “Les courants élevés ont conduit à un certain nombre de problèmes tels que la décomposition physique du catalyseur.”

Finalement, l’équipe a surmonté ces problèmes par essais et erreurs, et a découvert un catalyseur actif et stable en insérant du manganèse dans le réseau spinelle du Co.₃O₄produisant l’oxyde mixte de cobalt et de manganèse Co₂MnO₄.

Les tests ont montré que le Co₂MnO₄ ont donné de très bons résultats. Les niveaux d’activation étaient proches de ceux des oxydes d’iridium de pointe. En outre, le nouveau catalyseur a duré plus de deux mois à une densité de courant de 200 milliampères par centimètre carré, ce qui pourrait le rendre efficace pour une utilisation pratique. Par rapport à d’autres catalyseurs à base de métaux non rares, qui ne durent généralement que quelques jours ou quelques semaines à des densités de courant beaucoup plus faibles, le nouvel électrocatalyseur pourrait changer la donne.

“Nous avons réalisé ce qui échappait aux scientifiques depuis des décennies”, déclare le coauteur Ailong Li. “La production d’hydrogène à l’aide d’un catalyseur très actif et stable fabriqué à partir de métaux abondants. À long terme, nous pensons qu’il s’agit d’un grand pas vers la création d’une économie durable de l’hydrogène. Comme d’autres technologies renouvelables telles que les cellules solaires et l’énergie éolienne, nous nous attendons à ce que le coût de la technologie de l’hydrogène vert s’effondre dans un avenir proche, au fur et à mesure des progrès réalisés.”

La prochaine étape en laboratoire consistera à trouver des moyens de prolonger la durée de vie du nouveau catalyseur et d’augmenter encore plus ses niveaux d’activité. “Il est toujours possible de s’améliorer”, déclare Nakamura, “et nous continuons à nous efforcer de trouver un catalyseur à base de métal non rare qui égale les performances des catalyseurs actuels à base d’iridium et de platine.”

Référence : “Amélioration de la stabilité de l’oxyde de spinelle de cobalt en vue d’une évolution durable de l’oxygène dans acide