La technologie des nanostructures donne un coup de fouet à l’énergie hydrogène
L’hydrogène est une source d’énergie propre prometteuse. Le fractionnement de l’eau par électrolyse, qui utilise de l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène, constitue le meilleur moyen d’obtenir de l’hydrogène. Aussi appelé «hydrogène vert», cet hydrogène produit à partir d’énergies renouvelables peut afficher une empreinte carbone nette nulle. Les électrocatalyseurs pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER), des matériaux qui favorisent la réaction, jouent un rôle fondamental dans ce processus. En raison de son activité catalytique élevée, le platine est l’électrocatalyseur HER le plus populaire et le plus couramment utilisé. Son prix et sa rareté constituent toutefois des obstacles à son utilisation dans des applications industrielles. Le projet HyCat, soutenu par le Conseil européen de la recherche, a mis au point une nanostructure innovante qui vise à réduire la quantité de platine nécessaire à la réaction et qui permettrait de réduire les coûts. «L’objectif premier du projet est de mettre au point un électrocatalyseur innovant et performant capable de produire de l’hydrogène par la réaction du fractionnement électrochimique de l’eau», explique Liberato Manna, chercheur principal à l’Institut italien de technologie et coordinateur du projet HyCat.
Création d’un système d’électrocatalyseur à nanostructures
Afin de fabriquer ce nouvel électrocatalyseur, les chercheurs plongent d’abord un collecteur de courant en titane dans un bain chimique contenant du cuivre et d’autres réactifs. Cela entraîne la croissance d’oxyde de cuivre à la surface du titane dans des nanoplaquettes à orientation verticale. Ces nanoplaquettes, qui sont essentiellement «la rouille du cuivre», explique Liberato Manna, sont transformées en cuivre métallique à haute conductivité électrique, en appliquant une tension réductrice au collecteur de courant sous-jacent. Enfin, toujours en appliquant la tension réductrice, une solution contenant un sel de platine est ajoutée, qui agrémente les nanostructures de cuivre de nanoparticules de platine. «Cette procédure complexe génère une cathode caractérisée par une stabilité mécanique et chimique et surtout par une dispersion optimale de nanoparticules de platine», explique Liberato Manna. «Elle optimise sa surface et permet dès lors de limiter son utilisation ainsi que le coût général de cette technologie», précise-t-il.
Le nouvel électrocatalyseur à l’essai
Tout au long du projet, l’équipe HyCat a réalisé des centaines d’expériences qui visaient à identifier la solution optimale pour une série de paramètres. Le platine, très onéreux, a pu être remplacé par du ruthénium (un autre métal du groupe du platine), bien meilleur marché, pour environ un tiers du coût. La quantité moyenne de ruthénium sur l’électrode était aussi faible que 53 μg/cm2, ce qui représente une quantité 10 fois moindre que celle du platine utilisé dans d’autres électrolyseurs de pointe. «Notre cathode optimisée est compétitive, en termes de performances», fait remarquer Liberato Manna. «Assemblée dans une cellule unique, notre technologie va au-delà de l’état actuel de la technique», ajoute-t-il. S’il est mis en œuvre dans une usine H2 de 1 MW, le système affiche un coût de production d’environ 2,26 dollars US/kg d’hydrogène, ce qui correspond au coût cible de l’hydrogène vert fixé par la Commission européenne pour 2030, qui s’établit à moins de 2,50 dollars US/kg.
Mise à l’échelle de la technologie
La prochaine étape du projet consiste à agrandir l’électrode à une taille pratique d’environ 100 cm2. À cette échelle, l’électrolyseur deviendra utile sur le plan pratique pour produire de l’hydrogène destiné à une utilisation in situ, atteignant une production d’électricité de l’ordre du kilowatt. Avec un électrolyseur de 2,5 kW, il est notamment possible de produire environ 1 kg d’hydrogène par jour, ce qui est suffisant pour alimenter une maison. «Une autre étude sera menée sur la base des données de performance acquises à partir de cet électrolyseur afin d’offrir une perspective approfondie sur la construction d’usines à hydrogène à l’échelle du mégawatt qui utilisent nos électrocatalyseurs à des fins de production à grande échelle», conclut Liberato Manna.
Mots‑clés
HyCat, nanostructure, cuivre, platine, cathode, hydrogène, eau, fractionnement, vert, énergie
