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Aug 02, 2023

Extraire un carburant propre de l’eau

Par Laboratoire national d'Argonne 20 juillet 2023 Le Laboratoire national d'Argonne a mis au point un catalyseur à base de cobalt à faible coût qui stimule l'extraction efficace de l'hydrogène de l'eau. Cette innovation est une clé

Par Laboratoire National d'Argonne20 juillet 2023

Le Laboratoire national d'Argonne a mis au point un catalyseur à base de cobalt à faible coût qui stimule l'extraction efficace de l'hydrogène de l'eau. Cette innovation constitue une étape clé vers la réalisation de l’objectif du DOE de réduire considérablement les coûts de production de l’hydrogène vert.

Une réserve 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 générer 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 que de l’eau. Il joue également un rôle crucial dans plusieurs procédés 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 d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) a développé un catalyseur à faible coût pour un processus qui produit de l'hydrogène propre à partir de l'eau. Parmi les autres contributeurs figurent les laboratoires nationaux Sandia et Lawrence Berkeley du DOE, 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 occupe également un poste conjoint à 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 diviser l’eau en hydrogène et oxygène avec une plus grande efficacité à 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 l’énergie solaire et éolienne.

Le chimiste principal Di-Jia Liu inspecte un échantillon de catalyseur à l'intérieur d'un four tubulaire après traitement thermique, tandis que le postdoctorant Chenzhao Li transporte un réacteur sous pression pour la synthèse du catalyseur. Crédit : Laboratoire National d'Argonne

Cet électrolyseur fonctionne avec des catalyseurs séparés pour chacune de ses électrodes (cathode et anode). Le catalyseur cathodique produit de l'hydrogène, tandis que le catalyseur anodique forme de l'oxygène. Le problème est que le catalyseur anodique utilise de l'iridium, dont le prix actuel sur le marché est 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 anodique à faible coût dans un électrolyseur PEM qui génère de l'hydrogène à haut débit tout en consommant un minimum d'énergie", a déclaré Liu. "En utilisant le catalyseur à base de cobalt préparé par notre méthode, on pourrait éliminer le principal goulot d'étranglement en matière de coût lié à la production d'hydrogène propre dans un électrolyseur. "

Giner Inc., une société leader en recherche et développement travaillant à la commercialisation d'électrolyseurs et de piles à combustible, a évalué le nouveau catalyseur à l'aide de ses stations d'essai d'électrolyseurs PEM dans des conditions de fonctionnement industrielles. Les performances et la durabilité dépassaient de loin celles des catalyseurs concurrents.

Pour améliorer encore 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 des conditions de fonctionnement en utilisant des analyses aux rayons X à l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne. Ils ont également identifié les caractéristiques clés du catalyseur en utilisant la microscopie électronique aux laboratoires Sandia et au Centre des matériaux nanométriques (CNM) d'Argonne. L'APS et le CNM sont tous deux des installations utilisatrices du DOE Office of Science.

"Nous avons photographié la structure atomique à la surface du nouveau catalyseur à différentes étapes de préparation", a déclaré Jianguo Wen, un scientifique des matériaux d'Argonne.

En outre, la modélisation informatique réalisée au Berkeley Lab a révélé des informations importantes sur la durabilité du catalyseur dans des conditions de réaction.