Un catalyseur d'hydrogène moins cher

Le platine joue normalement un rôle crucial dans les piles à combustible et dans la production d'hydrogène. Aujourd'hui, un groupe de chercheurs a montré comment obtenir le même type de réactivité en utilisant un métal – le nickel – mille fois moins cher que le platine. Le groupe – chercheur Vincent Artero , et Alan Le Goff et Serge Palacin à la Commissariat à l’Énergie Atomique près de Paris, ils utilisaient des composés à base de nickel liés chimiquement à des nanotubes de carbone.

Catalyseur de pile à combustible : Un nouveau matériau catalytique en nickel (montré ici attaché à une électrode expérimentale en nanotubes de carbone) pourrait réduire le coût des piles à combustible et de la production d'hydrogène.

Le platine est généralement utilisé dans le processus de fractionnement de l'eau car c'est un catalyseur si efficace. Le problème avec le platine est que c'est un métal très cher et qu'il n'y en a pas assez sur Terre pour soutenir une économie mondiale de l'hydrogène, dit Artero.

Les électrodes fabriquées à l'aide du nouveau catalyseur seraient environ 20 % moins chères que celles en platine, selon Artero. Étant donné que le platine représente environ un tiers du coût des piles à combustible, cela pourrait avoir un impact significatif sur le prix de la technologie des piles à combustible.

Les nouveaux composés sont basés sur un type d'enzyme appelé hydrogénase. Normalement présentes dans les bactéries et les algues qui vivent dans des conditions anaérobies (ou sans oxygène), ces enzymes sont utilisées par ces organismes comme catalyseur pour métaboliser l'hydrogène, explique Artero. Ils utilisent exactement le même processus que les piles à combustible pour rester en vie, dit-il.

Ces dernières années, les chercheurs se sont montrés très intéressés par l'utilisation de la chimie moléculaire pour tenter d'imiter la structure de ces catalyseurs naturels. Étant donné que les composants actifs de ces composés moléculaires sont aussi réactifs que le platine mais sont plutôt constitués de nickel ou de fer, ils promettent d'être beaucoup moins chers à utiliser.

Cependant, jusqu'à présent, les molécules d'hydrogénèse synthétiques, telles que celles développées par Daniel DuBois au Pacific Northern National Laboratories à Richland, WA – n'ont été démontrés que sous forme de solution. Pour être utiles, les molécules doivent être liées à une électrode plutôt que de flotter dans un liquide.

En modifiant les composants actifs à base de nickel de ces composés, Artero et ses collègues ont trouvé un moyen d'attacher les molécules aux nanotubes de carbone. Les nanotubes présentent deux avantages : ils sont de très bons conducteurs d'électrons et ils ont une surface spécifique très élevée, explique Artero. Cela signifie qu'il est possible de charger une grande partie du matériau catalytique sur sa surface, dit-il.

Dans les tests rapportés dans le numéro de cette semaine du journal La science , le groupe a montré que ce catalyseur modifié était efficace et stable pour effectuer la réaction à plusieurs reprises.

Ce travail représente une avancée significative dans l'application des électrocatalyseurs moléculaires pour la production et l'oxydation d'hydrogène, dit DuBois. Cela montre, dit-il, que ces catalyseurs moléculaires hautement réactifs peuvent fonctionner efficacement dans des conditions qui peuvent être pratiques pour les électrolyseurs et les piles à combustible. Il s'agit d'une étape importante vers le passage des catalyseurs bio-inspirés de la conception à la pratique.

Nate Lewis , professeur de chimie à Caltech, est d'accord. Il s'agit d'une étape importante vers le développement d'un système complet qui sépare l'eau de la lumière du soleil, dit-il. Mais Lewis note que trouver un moyen de fixer les catalyseurs à une surface afin qu'ils puissent être utilisés dans une électrode n'est qu'une pièce du puzzle.

John Turner , chercheur en sciences de l'énergie au National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO, ajoute que le principal obstacle à la production d'hydrogène à partir d'eau et de piles à combustible pour le transport n'est pas la catalyse à l'hydrogène, mais la catalyse à l'oxygène.

Les catalyseurs à base de nickel sont déjà utilisés dans les grands électrolyseurs commerciaux de plusieurs mégawatts, mais ces catalyseurs sont beaucoup moins efficaces que ceux au platine et ont tendance à être très gros, généralement autour de 10 mètres carrés.

Turner note que le courant produit par le catalyseur d'Artero est encore de plusieurs ordres de grandeur inférieur à celui qui peut être obtenu avec le platine. Artero dit que cela peut être assez facilement corrigé. Il note que les nanotubes utilisés dans les expériences de son équipe n'ont reçu qu'une faible charge du matériau catalytique. Augmenter cela devrait stimuler le courant : c'est un vide que nous pouvons combler, dit-il.

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