Le nouveau catalyseur sépare l’eau de mer et génère de l’hydrogène de manière extrêmement efficace en laboratoire, en résistant à la corrosion et en évitant la production de chlore. Selon l’équipe de recherche, il sera facile à fabriquer à l’échelle et devrait être suffisamment bon marché à l’échelle commerciale pour aider l’hydrogène vert à concurrencer les combustibles fossiles.
L’hydrogène vert ne peut être considéré comme respectueux de l’environnement s’il consomme d’énormes quantités d’eau douce ou s’il produit du chlore toxique, selon des chercheurs du RMIT (Institut royal de technologie de Melbourne) en Australie qui affirment avoir mis au point une technique bon marché qui ne fait ni l’un ni l’autre.
La recherche sur la production d’hydrogène vert progresse actuellement à un rythme rapide, car les pays du monde entier se bousculent pour s’imposer sur ce qui devrait devenir un énorme marché mondial des carburants propres. Le vaste potentiel d’énergie renouvelable de l’Australie et son économie axée sur l’exportation la placent en bonne position pour affronter la concurrence internationale en termes de volumes élevés. Mais, en tant que continent dominé par le désert, l’Australie est également très consciente des pénuries d’eau et des dangers liés au transport outre-mer de l’élément vital de son territoire. Neuf litres d’eau douce par kilogramme d’hydrogène n’est pas de bon augure pour la production en masse.
Il est plus difficile de créer de l’hydrogène vert à partir d’eau de mer qu’à partir d’eau douce ; il faut tenir compte de la corrosion, ainsi que des impuretés et des micro-organismes. Il faut des sites côtiers proches des sources d’énergie renouvelables, ce qui n’est pas un problème pour un pays aussi vaste et relativement vide que l’Australie, mais un facteur important ailleurs. À une certaine échelle, il faut penser à ce que l’on rejette dans l’océan après avoir terminé le processus, qu’il s’agisse de créer des niveaux dangereux de salinité ou de pomper de fortes concentrations de chlore toxique dans l’environnement marin.
Mais les avantages sont assez énormes ; non seulement votre approvisionnement en eau est gratuit lorsque vous utilisez de l’eau de mer, mais si cet hydrogène est brûlé ou passe dans une pile à combustible locale, de l’eau douce est émise qui peut filtrer à travers la nappe phréatique et alimenter les terres desséchées. L’eau dessalée est un sacré bonus.
C’est pourquoi de nombreuses équipes travaillent actuellement sur des techniques d’électrolyse permettant de générer de l’hydrogène vert à partir de l’eau de mer. En décembre, nous avons examiné un dispositif chinois efficace qui utilise les différences de pression de vapeur pour évaporer spontanément l’eau pure de l’eau de mer, puis l’électrolyse. Il y a quelques semaines, nous avons présenté une équipe internationale qui a trouvé un traitement de surface pour les électrolyseurs standard afin qu’ils fonctionnent aussi bien avec de l’eau de mer.
Et en 2021, nous nous sommes penchés sur une méthode très intéressante mise au point par l’Arabie saoudite, qui permet de capter non seulement de l’hydrogène, mais aussi des quantités commercialisables de chlore et de phosphate de lithium de qualité batterie, ce qui permettrait de résoudre un autre problème mondial et, ce faisant, de faire de très bonnes affaires.
En haut : le catalyseur promet d’être bon marché et facile à fabriquer à l’échelle. En bas : la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) aux électrodes.
Aujourd’hui, des scientifiques du RMIT, en Australie, ont annoncé une autre approche à fort potentiel pour la production d’hydrogène vert très efficace et peu coûteux directement à partir de l’eau de mer, sans générer de chlore.
« Le principal obstacle à l’utilisation de l’eau de mer est le chlore, qui peut être produit en tant que sous-produit », a déclaré le Dr Nasir Mahmood, chercheur principal d’un article qui vient d’être publié dans la revue à comité de lecture Wiley Small. « Si nous devions répondre aux besoins mondiaux en hydrogène [en utilisant l’eau de mer] sans résoudre ce problème au préalable, nous produirions 240 millions de tonnes de chlore par an, soit trois à quatre fois ce dont le monde a besoin en chlore. Il est inutile de remplacer l’hydrogène produit par les combustibles fossiles par une production d’hydrogène qui pourrait nuire à notre environnement d’une autre manière. Non seulement notre procédé ne produit pas de dioxyde de carbone, mais il ne produit pas non plus de chlore. »
Le dispositif du RMIT utilise un nouveau catalyseur composé de feuilles de phosphure de nickel et de molybdène dopé à l’azote (NiMo3P). Chaque couche de feuille présente de larges pores – du moins à l’échelle nanométrique – conçus pour accélérer l’activité catalytique et le transfert de masse.
Microscopie électronique à transmission montrant les pores des feuilles nanométriques de phosphure de nickel-molybdène dopé à l’azote.
Selon l’équipe, le dopage à l’azote remplit plusieurs fonctions, notamment l’augmentation de la conductivité, l’optimisation de la densité électronique et de la chimie de surface, et la création de nouveaux sites actifs pour la catalyse de l’eau dans les feuilles. Les propriétés électro-négatives qui apparaissent lorsque l’azote se lie aux métaux de surface contribuent à empêcher les ions et les molécules indésirables de toucher la surface du catalyseur, et la présence d’ions phosphate, sulfate, nitrate et hydroxyle à la surface sert à bloquer le chlore et à prévenir la corrosion.
L’équipe a constaté expérimentalement que ce catalyseur présentait une efficacité exceptionnelle et supprimait complètement la production de chlore. « Les feuilles de N-NiMo3P présentent des valeurs exceptionnelles de surtension HER [réaction d’évolution de l’hydrogène] de 23 et 35 mV à 10 mA cm-2 dans des électrolytes alcalins et de l’eau de mer, respectivement », indique l’étude. « En outre, pour une scission complète de l’eau, il suffit de 1,52 et 1,55 V pour atteindre 10 mA cm-2 dans un électrolyte alcalin et de l’eau de mer, respectivement. Ces résultats exceptionnels démontrent qu’il est possible de générer de l’hydrogène à faible coût à partir de l’eau de mer en régulant la structure et la composition des matériaux 2D. »
« Ces nouveaux catalyseurs nécessitent très peu d’énergie pour fonctionner et pourraient être utilisés à température ambiante, précise Nasir Mahmood dans un communiqué de presse. Ils devraient également être relativement bon marché et faciles à produire à l’énorme échelle que devrait exiger le marché de l’hydrogène vert.
De gauche à droite : Le Dr Muhammad Waqas Khan, le Dr Nasir Mahmood et M. Suraj Loomba, qui font partie de l’équipe du RMIT travaillant sur cette avancée.
« Pour être véritablement durable », déclare Nasir Mahmood, « l’hydrogène que nous utilisons doit être exempt de carbone à 100 % tout au long de son cycle de vie et ne doit pas entamer les précieuses réserves d’eau douce de la planète. Notre méthode de production d’hydrogène directement à partir de l’eau de mer est simple, évolutive et bien plus rentable que toute autre approche de l’hydrogène vert actuellement sur le marché. Avec un développement plus poussé, nous espérons que cela pourrait faire avancer l’établissement d’une industrie florissante de l’hydrogène vert en Australie ».
L’équipe va passer à l’échelle supérieure au fur et à mesure que la recherche se poursuit. La prochaine étape consistera à construire un prototype d’électrolyseur fonctionnant avec une pile de ces feuilles de catalyseur, afin de produire de grandes quantités d’hydrogène et de commencer à optimiser l’efficacité du système à l’échelle. M. Mahmood pense que cette technologie pourrait aider à atteindre l’objectif du gouvernement australien de produire de l’hydrogène vert à 2 dollars australiens par kilogramme (1,40 dollar américain par kilogramme), niveau auquel il devient compétitif par rapport à l’hydrogène sale produit à partir de combustibles fossiles.
En fin de compte, c’est la mesure clé ici ; pour que les entreprises investissent massivement dans la production d’hydrogène vert à grande échelle, elles doivent savoir qu’elles peuvent le faire de manière rentable et concurrencer les autres sources d’hydrogène et de carburant. Nous verrons ce qu’il en sera, mais nous espérons que certaines de ces innovations de fractionnement de l’eau de mer fonctionneront aussi bien sur un bilan qu’en laboratoire.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207310
https://www.rmit.edu.au/news/media-releases-and-expert-comments/2023/feb/hydrogen-seawater
