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Craquer l'énergie verte de l'hydrogène (avec vidéo)

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24 juin 2022 (Actualités Nanowerk) Une équipe de chimistes du RIKEN a créé un électrocatalyseur à base d'oxyde de manganèse et de cobalt qui représente une avancée importante dans la production abordable de carburants hydrogène plus propres. L'hydrogène peut être fabriqué à partir d'électricité qui induit une réaction chimique pour séparer l'eau en ses éléments constitutifs : l'oxygène et l'hydrogène. "L'un des plus grands obstacles à la génération d'hydrogène à l'échelle industrielle a été de trouver un catalyseur approprié pour la réaction de dégagement d'oxygène sur l'une des électrodes de ce système de production", explique Ailong Li, qui a codirigé l'étude au RIKEN Center for Sustainable Sciences des ressources. La difficulté, explique-t-il, a été de trouver un électrocatalyseur qui ait une activité élevée, mais qui puisse également résister aux conditions acides dans lesquelles la réaction se produit. Ce tout nouveau catalyseur est fabriqué à partir de matériaux abordables et est stable dans l'acide pendant des mois tout en restant très actif1, explique Li. L'« hydrogène vert » est fabriqué à partir de la lumière solaire renouvelable ou de l'énergie éolienne pour générer l'électricité qui sépare l'eau. Il pourrait réduire considérablement les émissions mondiales de dioxyde de carbone s'il remplaçait les combustibles fossiles à l'échelle industrielle, explique Shuang Kong, qui a codirigé l'étude. Et lorsque l'hydrogène est ensuite brûlé pour produire de l'énergie, il redevient de l'eau, ce qui en fait un carburant véritablement non polluant. L'Agence internationale pour les énergies renouvelables, une organisation intergouvernementale qui soutient les pays dans leur transition vers une énergie durable, prédit que la production d'hydrogène vert à grande échelle pourrait devenir une option compétitive au cours de la prochaine décennie. Ils l'ont appelé "un changeur de jeu sur la voie de la neutralité carbone".

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Cette vidéo montre des bulles de gaz produites par électrolyse de l'eau à l'aide d'un nouvel électrocatalyseur mixte cobalt-manganèse. Contrairement aux méthodes standard actuelles, ce catalyseur n'est pas fabriqué à partir de métaux de terres rares, ce qui en fait une option plus durable.

Abordable actif

S'il existe déjà des électrocatalyseurs remplissant à la fois les conditions de stabilité et d'activité, ils souffrent tous d'un inconvénient : ils contiennent l'un des éléments les plus rares sur Terre : l'iridium. Étant donné que la production mondiale d'iridium n'est que de sept tonnes par an (pour mettre cela en perspective, 170 tonnes de platine, qui est considéré comme un métal rare, ont été extraites en 2020), générer les niveaux de térawatt d'hydrogène vert nécessaires à un usage industriel serait nécessitent quatre décennies d'iridium mondial. Puis, dans une étude de 2019, Li et ses collègues ont découvert que l'oxyde de manganèse présentait une excellente stabilité dans l'acide pour catalyser la réaction de dégagement d'oxygène2. Or, ils ont montré qu'en incorporant du manganèse dans l'oxyde de cobalt, autre électrocatalyseur, pour produire un oxyde mixte, il était possible d'augmenter la durée de vie de l'électrocatalyseur en acide fort d'un facteur 100 environ sans sacrifier l'activité. Cela fait passer la durée de vie des électrocatalyseurs sans iridium de quelques jours ou semaines à plus de deux mois. Li était ravi quand il a vu l'électrocatalyseur en action pour la première fois. « Notre électrocatalyseur était très actif », explique Li. "Avant même que nous fassions les mesures, c'était un beau spectacle de le voir générer une cascade de bulles." Le manganèse confère la stabilité à l'électrocatalyseur, tandis que le cobalt confère à l'oxyde sa haute activité. Kong décrit le manganèse comme "le catalyseur naturel de l'oxydation de l'eau". L'équipe a découvert que le mélange optimal était de deux atomes de cobalt pour chacun de manganèse. Il est important de noter que le manganèse et le cobalt sont beaucoup plus abondants que l'iridium : la production annuelle mondiale de manganèse est plus de 60,000 XNUMX fois supérieure à celle de l'iridium et c'est le cinquième métal le plus répandu dans la croûte terrestre.

Rêve industriel propre et vert

Il y a encore place à l'amélioration de la durée de vie du catalyseur. Alors que la barrière d'activation de l'oxyde mixte rivalise avec celle des oxydes d'iridium, les catalyseurs d'iridium peuvent durer des décennies avant de devoir être remplacés. Mais Li est encouragé par l'avance. « À long terme, nous pensons qu'il s'agit d'un grand pas vers la création d'une économie durable de l'hydrogène », déclare-t-il. L'hydrogène, ajoute-t-il, est également un produit chimique industriel important utilisé pour produire de l'ammoniac, un composant clé des engrais. Le procédé industriel actuel de fabrication de l'ammoniac est très énergivore et utilise des énergies fossiles : il représente près de 2 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. L'ammoniac vert produit à partir d'hydrogène vert pourrait aider à réduire ces émissions. Une des premières inspirations, dit Kong, a été un discours prononcé en 2004 par le lauréat du prix Nobel Richard Smalley, dans lequel Smalley décrit un avenir dans lequel des billions de watts (térawatts) d'énergie renouvelable sont générés pour stimuler l'industrie au lieu de brûler des combustibles fossiles. Pour l'avenir, Li voit de nombreuses façons d'améliorer son électrocatalyseur et de produire de l'hydrogène vert plus efficacement. "Il y a tellement de voies que nous pouvons explorer pour faire progresser cette technique", dit-il. "En plus d'améliorer l'électrocatalyseur, nous pouvons également améliorer la membrane séparant l'eau qui est parfois utilisée." Li souligne que lorsque vous traitez cette production d'hydrogène à l'échelle du térawatt, même une petite augmentation de l'efficacité peut générer des gains importants. "Une simple augmentation de 1 % de l'efficacité dans l'industrie à grande échelle d'aujourd'hui pourrait permettre d'économiser 88 milliards de kilowattheures par an et de réduire les émissions de dioxyde de carbone de 34 millions de tonnes."

Référence

Li, A., Kong, S., Guo, C., Ooka, H., Adachi, K., Hashizume, D., Jiang, Q., Han, H., Xiao, J. et Nakamura, R. la stabilité de l'oxyde de spinelle de cobalt vis-à-vis de l'évolution durable de l'oxygène dans l'acide. Catalyse de la nature 5 109–118 (2022). doi : 10.1038/s41929-021-00732-9 Li, A., Ooka, H., Bonnet, N., Hayashi, T., Sun, Y., et al. Fenêtres de potentiel stables pour l'électrocatalyse à long terme par les oxydes de manganèse en conditions acides. Chimie appliquée 58 15054-5058. est ce que je: 10.1002/anie.201813361
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