Alors que le monde se déplace vers des sources d'énergie durables, «l'hydrogène vert» – l'hydrogène produit sans émettre de carbone – est devenu un candidat de premier plan pour la puissance propre. Dans un pas en avant significatif, une équipe de recherche a développé un nouveau catalyseur à base de fer qui double plus que l'efficacité de conversion de la production d'hydrogène vert thermochimique.
Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue Acta Materialia. L'équipe de recherche collaborative a été dirigée par le professeur Hyungyu Jin du Département de génie mécanique de Postech et le professeur Jeong Woo Han du Département de science et d'ingénierie des matériaux de la Séoul National University.
Avec des préoccupations croissantes concernant la pollution et le changement climatique entraîné par les combustibles fossiles, l'hydrogène attire l'attention en tant que support d'énergie propre qui n'émet que de l'eau lors de la combustion. Parmi les diverses voies de production d'hydrogène, le fractionnement de l'eau thermochimique – qui utilise l'énergie thermique pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène – est considéré comme particulièrement prometteur. Au cœur de ce processus se trouve le rôle des oxydes métalliques, qui absorbent et libèrent de l'oxygène dans les cycles, agissant efficacement comme des «éponges d'oxygène».
Cependant, la plupart des oxydes conventionnels souffrent d'une limitation clé: ils nécessitent des températures extrêmement élevées pour fonctionner efficacement en raison de leurs caractéristiques thermodynamiques. Cela a entravé leur viabilité commerciale. Pour relever ce défi, l'équipe de recherche a développé un nouveau ferrite en nickel pauvre en fer (Nife-Poor Fe2O4ou NFO).
Alors que les oxydes traditionnels reposent généralement sur des réactions non stoichiométriques qui permettent une absorption et une libération relativement faibles de l'oxygène, la ferrite pauvre en Fe présente un mécanisme de transformation de phase distinct qui permet une capacité d'oxygène significativement plus élevée même à des températures plus basses.
Les résultats expérimentaux ont montré que les nouveaux oxydes avaient obtenu une efficacité de conversion de l'eau à l'hydrogène de 0,528% par gramme d'oxydes – plus du double de la référence 0,250% définie par le matériau le mieux performant précédent.
Ce qui rend cette étude particulièrement remarquable, ce n'est pas seulement le développement d'un catalyseur à haute efficacité, mais aussi le succès de l'équipe à démêler les mécanismes sous-jacents. En utilisant une combinaison de techniques expérimentales et de simulations de calcul, les chercheurs ont pu identifier, pour la première fois, les « sites actifs structurels » dans les matériaux d'oxyde de fer qui entraînent la production d'hydrogène au niveau atomique.
Ils ont en outre révélé qu'un swing redox entre deux types de sites de fer est directement corrélé avec le rendement en hydrogène – une idée qui pourrait guider la conception future de catalyseurs encore plus efficaces.
« Cette étude est significative en ce qu'elle propose une voie de production économique et durable de l'hydrogène en utilisant d'abondants oxydes de fer. Il ouvre également la porte à l'utilisation de la chaleur solaire ou de la chaleur des déchets industriels comme sources d'énergie pour la génération d'hydrogène », a déclaré le professeur Jin.
Le professeur Han a ajouté: « Ce travail est un exemple convaincant de la façon dont les sciences expérimentales et informatiques peuvent travailler ensemble pour découvrir des principes fondamentaux grâce à une collaboration interdisciplinaire. »
