Des chercheurs se rapprochent de l’hydrogène vert grâce à l’électrolyse de l’eau

L’électrolyse de l’eau offre un procédé idéal pour la production d’hydrogène, qui pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique mondiale qui s’appuie de plus en plus sur l’électricité renouvelable, mais dont le processus de production actuel est extrêmement intensif en carbone.

En tant que source d’énergie, l’hydrogène est resté largement inexploité en raison de son inabordabilité et d’un manque de compréhension des catalyseurs utilisés pour le produire. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université Northwestern sur les catalyseurs les plus prometteurs étudiés, les oxydes à base d’iridium, a permis de concevoir un nouveau catalyseur qui maintient une activité plus élevée, une stabilité plus longue et une utilisation plus efficace de l’iridium, ce qui pourrait rendre possible la production d’hydrogène vert.

L’article, publié dans la revue Catalyse de la natureont combiné des techniques de caractérisation complémentaires basées sur les électrons et les rayons X pour, pour la première fois, identifier des preuves expérimentales de la manière dont la surface de l’oxyde d’iridium change pendant l’électrolyse de l’eau.

« Maintenant que nous connaissons enfin la nature de ces sites actifs à la surface de ces matériaux, nous pouvons concevoir de futurs catalyseurs qui ne présentent que les trois structures que nous avons identifiées pour obtenir des performances optimisées et une utilisation plus efficace du précieux iridium », a déclaré Linsey Seitz, électrochimiste de Northwestern et auteur principal de l’article.

Seitz est professeur adjoint de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et expert en énergies renouvelables.

Cet « iridium précieux » est un sous-produit rare de l’extraction du platine et le seul catalyseur actuellement viable pour la production d’hydrogène vert en raison des conditions de fonctionnement difficiles de la réaction.

L’électrolyse de l’eau, le processus de décomposition des molécules d’eau à l’aide d’électricité, via une technologie appelée électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (PEM), est prometteuse car elle peut fonctionner entièrement avec de l’électricité renouvelable, mais la réaction se produit dans un environnement acide qui limite les types de catalyseurs qui peuvent être utilisés.

Les conditions de réaction modifient également de manière significative la structure des matériaux catalyseurs à leur surface. Ces structures de surface de catalyseur réorganisées ont été difficiles à identifier car elles changent rapidement au cours du processus d’électrolyse de l’eau et peuvent être endommagées par des méthodes d’imagerie.

Des recherches antérieures ont permis de prédire par ordinateur les types de connexions possibles qui peuvent être présents sur les surfaces de l’oxyde d’iridium, mais n’ont jamais été en mesure de fournir de preuves expérimentales directes.

Dans l’étude actuelle, trois types de connexions précédemment décrits comme simplement « amorphes » (n’ayant aucune structure détectable) après une réaction catalytique se sont avérés avoir des structures paracristallines distinctes et se sont avérés être les principaux responsables de la stabilité et de l’activité d’un catalyseur.

Le processus de travail de l’équipe Seitz a considérablement réduit les dommages causés par ces techniques, ce qui a permis une analyse plus précise des structures dans les matériaux complexes. Les chercheurs ont d’abord utilisé la microscopie électronique et la diffusion pour identifier la structure de surface du catalyseur, avant et après le processus d’électrolyse de l’eau. Ils ont ensuite confirmé les résultats par spectroscopie à rayons X à haute résolution et diffusion.

« Nous sommes ravis d’étendre ces techniques de caractérisation pour analyser rigoureusement d’autres matériaux catalyseurs actifs complexes dont les structures actives pertinentes ont jusqu’à présent été difficiles à identifier expérimentalement », a déclaré Seitz.

« Ces connaissances fondamentales permettront de concevoir des catalyseurs hautes performances capables d’utiliser de manière optimale les métaux précieux et les minéraux critiques. »

Grâce à leur nouvelle compréhension de l’iridium, l’équipe a pu concevoir un catalyseur utilisant uniquement des structures paracristallines qui était trois à quatre fois plus efficace que les autres catalyseurs à base d’iridium lors de sa première mesure d’activité.

« Nos développements nous aideront à nous rapprocher d’un avenir énergétique durable où l’hydrogène vert via l’électrolyse de l’eau sera une réalité et où le déploiement à grande échelle de ces technologies émergentes sera plus réalisable sur le plan technologique et économique », a déclaré Seitz.