Une avancée majeure pour l’hydrogène vert au KIST
La technologie de production d’hydrogène vert, qui utilise des énergies renouvelables pour générer un hydrogène écologique sans aucune émission de carbone, s’impose progressivement comme une solution centrale pour lutter contre le réchauffement climatique. Ce procédé repose sur l’électrolyse, une méthode qui consiste à séparer l’hydrogène et l’oxygène en appliquant de l’énergie électrique à l’eau. Pour être viable, cette technique exige des catalyseurs à la fois peu coûteux, très efficaces et performants.
Dans ce contexte compétitif, une équipe de recherche dirigée par le Dr Na Jongbeom et le Dr Kim Jong Min, du Centre de recherche sur les matériaux extrêmes de l’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST), a mis au point une technologie de catalyseur d’électrolyse de l’eau de nouvelle génération. Leurs travaux, qui marquent une avancée notable dans le domaine, ont été publiés dans la revue scientifique Advanced Energy Materials.
Cette innovation se distingue par l’intégration d’un catalyseur « tout-en-un » à atome unique, contrôlé avec précision jusqu’au niveau atomique, associé à une technologie d’électrode sans liant. L’objectif affiché par les chercheurs est de répondre aux exigences de coût et de performance qui freinent encore le déploiement massif de l’hydrogène vert à l’échelle industrielle.
Les limites coûteuses des systèmes d’électrolyse actuels
Jusqu’à présent, les systèmes d’électrolyse existants se heurtaient à des limitations techniques et économiques importantes. Ils nécessitaient l’utilisation de catalyseurs et de structures d’électrodes différents pour gérer les deux réactions distinctes : la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) et la réaction de dégagement d’oxygène (OER). Cette dualité obligeait les industriels à utiliser de grandes quantités de métaux précieux coûteux pour assurer le fonctionnement du système.
Outre le coût des matériaux, la structure même des électrodes posait problème. Les systèmes conventionnels utilisent un liant pour fixer le catalyseur à l’électrode. Or, ce composant additionnel entraîne plusieurs complications techniques, notamment une réduction de la conductivité électrique.
De plus, l’utilisation de liants fragilise la durabilité du dispositif. Lors d’opérations à long terme, on observe fréquemment un détachement du catalyseur, ce qui nuit à la stabilité globale de la production. La caractéristique clé de la nouvelle technologie développée par le KIST réside justement dans sa capacité à réaliser de manière stable et simultanée les réactions de dégagement d’hydrogène et d’oxygène sur une seule et même électrode, éliminant ainsi ces contraintes structurelles.
L’innovation technique : la stratégie de l’atome unique
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs du KIST ont utilisé une technologie de contrôle de précision au niveau atomique. Leur méthode consiste à disperser uniformément des atomes d’iridium (Ir) sur la surface d’un support composé d’hydroxyde double lamellaire (LDH) à base de manganèse (Mn) et de nickel (Ni), en y incorporant de l’acide phytique. Cette stratégie permet de remplacer l’utilisation conventionnelle de métal précieux d’iridium en vrac.
L’approche adoptée par l’équipe scientifique vise à maximiser le nombre de sites actifs nécessaires aux réactions de séparation de l’eau, tout en utilisant une quantité minimale d’iridium. Pour illustrer ce concept d’optimisation de surface, le procédé est analogue au fait d’étaler uniformément de fins grains de sable sur une grande surface, plutôt que de s’appuyer sur un seul gros rocher.
L’atome unique d’iridium joue un rôle pivot dans ce dispositif. Il agit comme un site actif direct pour la réaction de dégagement d’hydrogène grâce à sa forte interaction avec le support. Simultanément, il améliore la performance catalytique du site actif à base de nickel, où se produit la réaction de dégagement d’oxygène. Ainsi, ce catalyseur à atome unique a réalisé des caractéristiques catalytiques bifonctionnelles, présentant une réactivité adaptée pour les deux réactions.
Une structure sans liant pour une performance accrue
Au-delà de la chimie du catalyseur, l’équipe de recherche a innové dans la fabrication même de l’électrode. Ils ont appliqué une méthode consistant à faire croître directement le catalyseur sur la surface de l’électrode. Cette technique permet d’obtenir une structure d’électrode qui ne nécessite aucun liant séparé, résolvant ainsi les problèmes de conductivité mentionnés précédemment.
Cette approche structurelle a considérablement amélioré la conductivité électrique du système. Elle a également permis d’assurer une excellente durabilité, même lors d’opérations à long terme, en évitant les risques de détachement liés aux liants chimiques traditionnels. La robustesse de l’ensemble s’en trouve renforcée, offrant une solution plus fiable pour les industriels.
Les performances mesurées sont significatives. Cette technologie réduit l’utilisation de métaux précieux à moins de 1,5 % par rapport aux catalyseurs de métaux précieux existants, tout en atteignant des performances exceptionnelles tant pour les réactions de dégagement d’hydrogène que d’oxygène.
Vers une commercialisation accélérée de l’hydrogène
La stabilité du système a été rigoureusement testée. Le dispositif démontre une grande stabilité avec une dégradation minimale des performances, même après un fonctionnement continu de plus de 300 heures dans un système d’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse d’anions (AEM). Ces résultats confirment la viabilité technique de la solution sur la durée.
Ce résultat de recherche démontre la faisabilité technique d’améliorer simultanément la viabilité économique et la durabilité des systèmes d’électrolyse. En minimisant l’utilisation de métaux précieux et en simplifiant les structures d’électrodes, cette technologie devrait contribuer de manière significative à la commercialisation de la production d’hydrogène vert et à la réduction des coûts de production de l’hydrogène à l’avenir.
Le Dr Na Jongbeom du KIST a souligné l’importance de cette découverte : « Ce travail est hautement significatif car il résout les deux réactions essentielles pour la production d’hydrogène en utilisant un seul catalyseur tout en réduisant la consommation de métaux précieux. Cette technologie accélérera la commercialisation des dispositifs d’électrolyse de l’eau et fournira un soutien substantiel pour l’expansion de l’énergie hydrogène. »
Selon la source : phys.org
Un atome unique ‘tout-en-un’ pourrait alimenter les deux côtés de la séparation de l’eau
