Un nouveau système pour produire de l’hydrogène vert à moindre coût et efficacement

Que faut-il pour produire de l’hydrogène vert plus efficacement et à moindre coût ? Apparemment, de petites particules de ruthénium et un système d'électrolyse de l'eau alimenté par l'énergie solaire. C'est la solution proposée par une équipe conjointe impliquant l'Istituto Italiano di Tecnologia (Institut italien de technologie, IIT) de Gênes et BeDimensional SpA (une spin-off de l'IIT).

La technologie, développée dans le cadre des activités du Joint-lab et récemment publiée dans Communications naturelles et le Journal de l'American Chemical Societyrepose sur une nouvelle famille d’électrocatalyseurs qui pourrait réduire les coûts de production d’hydrogène vert à l’échelle industrielle.

L’hydrogène est considéré comme un vecteur énergétique durable, une alternative aux énergies fossiles. Mais tous les hydrogènes ne sont pas identiques en termes d’impact environnemental. En effet, la principale façon de produire de l’hydrogène aujourd’hui est le reformage à la vapeur du méthane, un processus basé sur des combustibles fossiles qui libère du dioxyde de carbone (CO).₂) comme sous-produit. L'hydrogène produit par ce procédé est classé comme « gris » (lorsque le CO₂ est rejeté dans l'atmosphère) ou « bleu » (lorsque le CO₂ subit un captage et un stockage géologique).

Pour réduire considérablement les émissions à zéro d'ici 2050, ces processus doivent être remplacés par des processus plus durables sur le plan environnemental qui fournissent de l'hydrogène « vert » (c'est-à-dire zéro émission nette). Le coût de l’hydrogène « vert » dépend essentiellement de l’efficacité énergétique de l’installation (l’électrolyseur) qui divise les molécules d’eau en hydrogène et oxygène.

Les chercheurs de l'équipe commune de cette découverte ont développé une nouvelle méthode qui garantit une plus grande efficacité que les méthodes actuellement connues dans la conversion de l'énergie électrique (le biais énergétique exploité pour diviser les molécules d'eau) en énergie chimique stockée dans les molécules d'hydrogène produites. . L'équipe a développé un concept de catalyseur et a utilisé des sources d'énergie renouvelables, comme l'énergie électrique produite par un panneau solaire.

« Dans notre étude, nous avons montré comment il est possible de maximiser l'efficacité d'une technologie robuste et bien développée malgré un investissement initial légèrement supérieur à celui qui serait nécessaire pour un électrolyseur standard. métal tel que le ruthénium”, ont déclaré Yong Zuo et Michele Ferri du groupe de nanochimie de l'IIT de Gênes.

Les chercheurs ont utilisé des nanoparticules de ruthénium, un métal noble dont le comportement chimique est similaire au platine mais bien moins cher. Les nanoparticules de ruthénium servent de phase active de la cathode de l'électrolyseur, conduisant à une efficacité accrue de l'électrolyseur global

“Nous avons effectué des analyses et des tests électrochimiques dans des conditions industrielles significatives qui nous ont permis d'évaluer l'activité catalytique de nos matériaux. De plus, des simulations théoriques nous ont permis de comprendre le comportement catalytique des nanoparticules de ruthénium au niveau moléculaire ; en d'autres termes, le mécanisme de l'eau se divisant à leur surface”, ont expliqué Sebastiano Bellani et Marilena Zappia de BeDimensional, qui ont participé à la découverte.

“En combinant les données de nos expériences avec des paramètres de procédé supplémentaires, nous avons réalisé une analyse technico-économique qui a démontré la compétitivité de cette technologie par rapport aux électrolyseurs de pointe.”

Le ruthénium est un métal précieux obtenu en petites quantités comme sous-produit de l'extraction du platine (30 tonnes par an, contre 200 tonnes de platine par an) mais à moindre coût (18,5 dollars le gramme contre 200 tonnes par an). 30 dollars pour le platine). La nouvelle technologie implique l'utilisation de seulement 40 mg de ruthénium par kilowatt, ce qui contraste fortement avec l'utilisation intensive du platine (jusqu'à 1 gramme par kilowatt) et de l'iridium (entre 1 et 2,5 grammes par kilowatt, le prix de l'iridium étant d'environ 150 dollars). par gramme) qui caractérisent les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons.

En utilisant du ruthénium, les chercheurs de l'IIT et de BeDimensional ont amélioré l'efficacité des électrolyseurs alcalins, une technologie utilisée depuis des décennies en raison de sa robustesse et de sa durabilité.

Par exemple, cette technologie était à bord de la capsule Apollo 11 qui a amené l'humanité sur la Lune en 1969. La nouvelle famille de cathodes à base de ruthénium pour électrolyseurs alcalins qui a été développée est très efficace et a une longue durée de vie, étant donc capable de réduire les coûts de production de l’hydrogène vert.

“À l'avenir, nous prévoyons d'appliquer cette technologie ainsi que d'autres technologies, telles que les catalyseurs nanostructurés basés sur des matériaux bidimensionnels durables, dans des électrolyseurs à grande échelle alimentés par de l'énergie électrique provenant de sources renouvelables, y compris l'électricité produite par des panneaux photovoltaïques”, ont conclu les chercheurs. .