Une production d’hydrogène propre à l’aide de catalyseurs bio-inspirés
Pour que l’hydrogène (H2) puisse ouvrir la voie à des solutions d’énergie propre révolutionnaires, sa production doit éviter d’émettre des gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone (CO2). Pour le moment, cela n’est possible que si l’H2 est produit à partir d’eau via électrolyse, en utilisant de l’électricité renouvelable, ou via photo(électro)catalyse, à l’aide de la lumière du soleil. S’agissant de la première méthode, l’une des techniques propres de production d’hydrogène emploie des dispositifs d’électrolyseurs à membrane échangeuses de protons (EMEP) qui utilisent l’électricité pour séparer les molécules d’eau (H2O) en H2 et en oxygène (O2), au cours d’un processus électrochimique. Les membranes échangeuses de protons (MEP) sont conçues à base du polymère synthétique Nafion. Les électrodes contiennent généralement des catalyseurs à base de métaux précieux, tels que l’oxyde d’iridium pour pousser l’évolution de l’O2 et le platine pour produire l’H2. Bien que la technologie soit loin d’être nouvelle, ces composants s’avèrent extrêmement onéreux et la faible abondance de métaux précieux dans la croûte terrestre invalide la durabilité de ces technologies. L’équipe du projet PRODUCE-H2 (PROtotype Demonstration Using low-cost Catalysts for Electrolysis to H2), soutenue par le Conseil européen de la recherche (CER), propose une alternative, en développant des catalyseurs innovants basés sur des éléments présents en abondance sur Terre, et capables de produire de l’hydrogène.
Imiter la photosynthèse
PRODUCE-H2 s’est appuyé sur les résultats d’un précédent projet, photocatH2ode, qui a développé des matériaux visant à convertir directement la lumière du soleil en combustible à H2, inspiré par la manière dont les microalgues produisent de l’hydrogène pour subvenir à leurs besoins énergétiques à l’aide de la lumière du soleil. Le précédent projet du CER, photocatH2ode, a mis au point des photo-électrodes qui combinent des matériaux capables de collecter la lumière, tels que des colorants organiques, des polymères conducteurs et des semi-conducteurs, avec des catalyseurs capables de produire de l’H2, inspirés par les enzymes hydrogénases. «Nous avons intégré des photocathodes à des cellules photo-électrochimiques complètes, capables d’utiliser la lumière du soleil pour séparer les molécules d’eau et produire de l’H2», indique Vincent Artero, chercheur principal au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Lors du projet photocatH2ode, l’équipe a découvert que la structure moléculaire du sulfure de molybdène amorphe, un électrocatalyseur pour la production d’hydrogène, pouvait être aisément manipulée pour améliorer les performances et la stabilité. En outre, le molybdène présente l’avantage d’être abondamment disponible. Dans le cadre du projet PRODUCE-H2, plusieurs matériaux composites, dérivés de catalyseurs de sulfure de molybdène amorphe, ont été formulés en encres catalytiques à l’aide d’une technique en instance de brevet. Ces électrocatalyseurs ont par la suite été testés sur des EMEP. «C’était la première fois que des catalyseurs non basés sur des métaux précieux étaient testés de cette façon. Certains des matériaux ont exhibé une excellente stabilité et une activité raisonnable, par rapport au platine», explique Vincent Artero. Après avoir testé plusieurs méthodes de fabrication de catalyseurs, l’équipe a découvert qu’une méthode de synthèse s’appuyant sur des précurseurs abordables et utilisant un four à micro-ondes, permettait de produire rapidement les matériaux les plus actifs et les plus stables. «Cette méthode est simple à mettre à l’échelle et les analyses du cycle de vie, réalisées en collaboration avec Toyota Motor Europe (qui produit des voitures alimentées à l’hydrogène), confirment les avantages en matière d’effets environnementaux et de coûts de tels catalyseurs, par rapport aux catalyseurs à métaux précieux», indique Vincent Artero.
Vers une économie de l’hydrogène
L’équipe de PRODUCE-H2 travaille actuellement à la finalisation du développement d’un prototype d’électrolyseur à MEP, fabriqué à partir de plastiques biosourcés et recourant à la fabrication additive. Afin de faire progresser les travaux plus avant, l’équipe entend combiner son catalyseur producteur d’H2 à d’autres catalyseurs à métaux non-précieux. Les chercheurs souhaitent particulièrement identifier une manière de remplacer l’oxyde d’iridium capable de produire de l’O2 avec un catalyseur plus durable, un défi qui s’annonce de taille. «Nous souhaitons également intégrer ces catalyseurs à notre prototype d’EMEP en bioplastique, et coupler cela à une cellule photovoltaïque pour produire de l’hydrogène à partir de la lumière du soleil et de l’eau. Cette méthode alternative de production d’H2 pourrait se révéler plus compétitive que la photo-électrocatalyse à court terme», ajoute Vincent Artero. Les résultats du projet PRODUCE-H2 pourraient aider à décarboner les systèmes énergétiques, industriels, ainsi que les transports, et contribuer au développement d’une économie de l’hydrogène, octroyant à l’UE davantage d’indépendance énergétique et de sécurité en réduisant sa dépendance aux combustibles fossiles importés.
Mots‑clés
PRODUCE-H2, hydrogène, H2, émissions, énergie, catalyseur, électrolyseur, membrane, lumière du soleil, molybdène, métal
