Comment produire de l’hydrogène vert de manière plus efficace et à moindre coût ? Les petites particules de ruthénium et les systèmes solaires d’électrolyse de l’eau pourraient apporter la réponse. C'est la solution identifiée par une équipe conjointe composée de l'Institut italien de technologie (IIT) de Gênes et de BeDimensional S.p.A. (une société dérivée de l'IIT).
La technologie, développée dans le cadre des activités du laboratoire commun et récemment publiée dans deux revues à fort impact (Nature Communications et Journal of the American Chemical Society), repose sur une nouvelle famille d’électrocatalyseurs qui pourrait réduire le coût de production d’hydrogène vert à l’échelle industrielle.
L’hydrogène est considéré comme un vecteur d’énergie durable et une alternative aux combustibles fossiles. Mais tous les hydrogènes ne sont pas égaux en termes d’impact environnemental. En fait, la principale méthode actuelle de production d’hydrogène est le reformage à la vapeur du méthane, un processus basé sur les combustibles fossiles qui libère du dioxyde de carbone (CO2) comme sous-produit.
L'hydrogène produit par ce procédé est classé en « gris » (le dioxyde de carbone est rejeté dans l'atmosphère) et « bleu » (le dioxyde de carbone est capté et stocké géologiquement). Pour réduire considérablement les émissions à zéro d’ici 2050, ces processus doivent être remplacés par des processus plus durables sur le plan environnemental pour fournir de l’hydrogène « vert » (c’est-à-dire zéro émission nette). Le coût de l'hydrogène « vert » dépend avant tout de l'efficacité énergétique de l'appareil (électrolyseur) qui sépare les molécules d'eau en hydrogène et oxygène.
Les chercheurs de l’équipe commune à l’origine de la découverte ont développé une nouvelle méthode qui promet une plus grande efficacité que les méthodes actuellement connues pour convertir l’énergie électrique (le biais énergétique exploité lors de la division des molécules d’eau) en énergie chimique stockée dans les molécules d’hydrogène résultantes. L'équipe de recherche a développé le concept d'un catalyseur et a utilisé des énergies renouvelables, comme l'électricité produite par des panneaux solaires.
"Notre étude montre qu'il est possible de maximiser l'efficacité d'une technologie mature, malgré un investissement initial légèrement supérieur à celui requis pour les électrolyseurs standards. Cela est dû au fait que nous utilisons du ruthénium, un métal précieux", commentent Zuo Yong et Michele Ferri du Groupe de Nanochimie de l'Institut Polytechnique International de Gênes.
Les chercheurs ont utilisé des nanoparticules de ruthénium, un métal précieux qui possède des propriétés chimiques similaires à celles du platine mais qui est beaucoup moins cher. Les nanoparticules de ruthénium servent de phase active dans la cathode de l'électrolyseur, augmentant ainsi l'efficacité de l'électrolyseur global.
"Nous avons évalué l'activité catalytique de notre matériau en effectuant des analyses et des tests électrochimiques dans des conditions industrielles importantes. De plus, des simulations théoriques nous ont permis de comprendre le comportement catalytique des nanoparticules de ruthénium au niveau moléculaire ; en d'autres termes, de comprendre le mécanisme de division de l'eau à leur surface", expliquent Sebastiano Bellani et Marilena Zappia de BeDimensional, impliqués dans la découverte. "En combinant des données expérimentales et d'autres paramètres de processus, nous avons effectué une analyse technico-économique qui a montré que la technologie est compétitive par rapport aux électrolyseurs de pointe."
Le ruthénium, un métal précieux produit comme sous-produit de l'extraction du platine, est produit en petites quantités (30 tonnes par an contre 200 tonnes par an pour le platine) mais à un coût inférieur (18,50 dollars par gramme contre 30 dollars pour le platine). La nouvelle technologie n'utilise que 40 milligrammes de ruthénium par kilowatt, contrairement à l'électrolyseur à membrane échangeuse de protons qui utilise beaucoup de platine (jusqu'à 1 gramme par kilowatt) et d'iridium (1 à 2,5 grammes par kilowatt, l'iridium coûtant environ 150 dollars le gramme).
En utilisant du ruthénium, des chercheurs de l’Institut indien de technologie et de BeDimensional ont amélioré l’efficacité des électrolyseurs alcalins, une technologie utilisée depuis des décennies en raison de sa robustesse. Par exemple, cette technologie a été utilisée dans la capsule spatiale Apollo 11 qui a envoyé des humains sur la Lune en 1969. Une nouvelle gamme de cathodes à base de ruthénium pour électrolyseurs alcalins est très efficace et a une longue durée de vie, réduisant ainsi le coût de production d'hydrogène vert.
"À l'avenir, nous prévoyons d'appliquer cette technologie et d'autres, telles que les catalyseurs nanostructurés basés sur des matériaux 2D durables, dans des électrolyseurs améliorés alimentés par des sources d'énergie renouvelables, notamment l'électricité produite par des panneaux photovoltaïques", ont conclu les chercheurs.
Source compilée : ScitechDaily