Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode qui réduit de 95 % l’iridium nécessaire pour produire de l’hydrogène « vert », maintenant ainsi les taux de production et promettant d’améliorer la faisabilité d’une économie de l’hydrogène neutre en carbone. Crédit : Issues.fr.com
Une percée dans la production d'hydrogène a été réalisée par une équipe de recherche japonaise, réduisant le besoin en iridium de 95 % sans compromettre l'efficacité, ouvrant la voie à des solutions énergétiques durables et à grande échelle à base d'hydrogène.
Alors que le monde s’éloigne d’une économie énergétique basée sur les combustibles fossiles, nombreux sont ceux qui parient sur l’hydrogène pour devenir la monnaie énergétique dominante. Mais produire de l’hydrogène « vert » sans recourir à des énergies fossiles n’est pas encore possible à l’échelle dont nous avons besoin car cela nécessite de l’iridium, un métal extrêmement rare.
Dans une étude publiée aujourd'hui (9 mai) dans la revue Science, des chercheurs dirigés par Ryuhei Nakamura du RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) au Japon rapportent une nouvelle méthode qui réduit de 95 % la quantité d'iridium nécessaire à la réaction, sans modifier le taux de production d'hydrogène. Cette avancée pourrait révolutionner notre capacité à produire de l’hydrogène écologique et contribuer à inaugurer une économie de l’hydrogène neutre en carbone.
Image au microscope électronique à balayage de l'oxyde d'iridium synthétisé (D) et images au microscope électronique à transmission à balayage de l'iridium (points brillants) dispersés sur de l'oxyde de manganèse électrodéposé sur un treillis en titane recouvert de platine résistant à la corrosion (E, F, G). Crédit : RIKEN
Les défis de la production d’hydrogène
Avec 70 % de la planète recouverte d’eau, l’hydrogène est véritablement une source d’énergie renouvelable. Cependant, il n’est pas encore possible d’extraire de l’hydrogène de l’eau à une échelle qui puisse rivaliser avec la production d’énergie à base de combustibles fossiles. La production mondiale actuelle d’énergie s’élève à près de 18 térawatts, ce qui signifie qu’à tout moment, environ 18 000 milliards de watts d’énergie sont produits en moyenne dans le monde. Pour que les méthodes alternatives de production d’énergie verte remplacent les combustibles fossiles, elles doivent pouvoir atteindre les mêmes taux de production d’énergie.
La manière verte d’extraire l’hydrogène de l’eau est une réaction électrochimique qui nécessite un catalyseur. Les meilleurs catalyseurs pour cette réaction – ceux qui produisent le taux de production d’hydrogène le plus élevé et le plus stable – sont les métaux rares, l’iridium étant le meilleur des meilleurs. Mais la rareté de l’iridium constitue un gros problème. « L'iridium est si rare qu'on estime que l'augmentation de la production mondiale d'hydrogène jusqu'à l'échelle du térawatt nécessiterait 40 ans d'iridium », explique le co-premier auteur Shuang Kong.
Innovations dans le développement de catalyseurs
L’équipe de recherche sur les catalyseurs biofonctionnels du RIKEN CSRS tente de contourner le goulot d’étranglement de l’iridium et de trouver d’autres moyens de produire de l’hydrogène à des débits élevés pendant de longues périodes. À long terme, ils espèrent développer de nouveaux catalyseurs à base de métaux terrestres communs, qui seront hautement durables. En fait, l’équipe a récemment réussi à stabiliser la production d’hydrogène vert à un niveau relativement élevé en utilisant une forme d’oxyde de manganèse comme catalyseur. Cependant, il faudra encore des années pour parvenir à une production industrielle de cette manière.
« Nous avons besoin d’un moyen de combler le fossé entre les électrolyseurs à base de métaux rares et de métaux communs, afin de pouvoir effectuer une transition progressive sur de nombreuses années vers un hydrogène vert totalement durable », déclare Nakamura. C’est exactement ce que fait l’étude actuelle en combinant le manganèse avec l’iridium. Les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils étalaient des atomes d'iridium individuels sur un morceau d'oxyde de manganèse afin qu'ils ne se touchent pas ou ne s'agglutinent pas, la production d'hydrogène dans un électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM) était soutenue au même rythme que lors de l'utilisation de l'iridium seul, mais avec 95% d'iridium en moins.
Potentiel et orientations futures
Grâce au nouveau catalyseur, la production continue d'hydrogène a été possible pendant plus de 3 000 heures (environ 4 mois) avec une efficacité de 82 % sans dégradation. « L'interaction inattendue entre l'oxyde de manganèse et l'iridium a été la clé de notre succès », explique le co-auteur Ailong Li. « C'est parce que l'iridium résultant de cette interaction était dans un état d'oxydation rare et hautement actif +6. »
Nakamura estime que le niveau de production d'hydrogène atteint avec le nouveau catalyseur présente un potentiel élevé d'utilité immédiate. « Nous espérons que notre catalyseur sera facilement transposable à des applications réelles », dit-il, « ce qui augmentera immédiatement la capacité des électrolyseurs PEM actuels. »
L’équipe a commencé à collaborer avec des partenaires industriels, qui ont déjà pu améliorer le catalyseur iridium-manganèse initial. À l’avenir, les chercheurs du RIKEN CSRS prévoient de continuer à étudier l’interaction chimique spécifique entre l’iridium et l’oxyde de manganèse, dans l’espoir de réduire encore davantage la quantité d’iridium nécessaire. Dans le même temps, ils continueront à collaborer avec des partenaires industriels et prévoient de déployer et de tester le nouveau catalyseur à l'échelle industrielle dans un avenir proche.
