Des chimistes recyclent les déchets de crevettes en catalyseurs pour la production d'hydrogène
La percée a eu lieu lors d'une expérience dite du vendredi après-midi
Depuis 2020, le groupe Heterogeneous Catalysis & Sustainable Chemistry de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'UvA travaille sur l'utilisation de sels de borohydrure de métaux alcalins comme futurs vecteurs d'hydrogène. Ces sels solides peuvent être stockés en toute sécurité dans l'air ambiant et ne libèrent de l'hydrogène que lorsqu'ils réagissent avec de l'eau. Cependant, il est difficile de contrôler la libération d'hydrogène, et donc d'empêcher l'emballement des réactions. Une solution consiste à stabiliser la solution avec une base et à contrôler la libération d'hydrogène à l'aide d'un catalyseur. L'équipe de l'UvA, dirigée par le professeur Gadi Rothenberg, développe de tels catalyseurs en collaboration avec le Centre autrichien de compétence en tribologie (AC2T) et la société Electriq Global.
L'hydrogène détruit les particules du catalyseur
Il est facile de trouver des catalyseurs potentiels, mais il n'est pas facile de les faire fonctionner suffisamment longtemps pour qu'ils soient commercialement viables. La combinaison d'un pH de réaction élevé et d'un dégagement continu de bulles d'hydrogène détruit les catalyseurs traditionnels en quelques jours. Par exemple, l'équipe a réussi à concevoir des particules de catalyseur contenant du cobalt très actives et sélectives. Toutefois, cette activité élevée génère de grands volumes d'hydrogène qui détruisent rapidement les particules.
La percée s'est produite lors d'une expérience dite du vendredi après-midi, lorsque Jeffrey Jonk, étudiant en maîtrise, et Fran Pope, étudiante en doctorat, ont décidé d'essayer d'encapsuler des particules de cobalt dans des sphères de chitosane. Le chitosan est un polymère naturel qui peut être produit à partir de la chitine, le principal composant des exosquelettes d'insectes et des carapaces de crustacés. Il s'agit d'un matériau biodégradable et biocompatible largement disponible à l'échelle de plusieurs tonnes, produit principalement à partir de déchets de carapaces de crevettes et de crabes.
Les groupes amines récurrents sur le squelette du chitosane le rendent très soluble dans les solutions aqueuses acides, mais peu soluble dans les solutions basiques. Les sphères de chitosane peuvent donc être produites relativement facilement en laissant tomber le chitosane liquide dans une solution basique. Une propriété essentielle des sphères de chitosane est leur flexibilité, qui leur permet de se dilater lors de la production d'hydrogène. Elles peuvent ainsi "expirer" les bulles d'hydrogène sans se briser. Et comme elles sont fabriquées à un pH élevé, la basicité de la solution de borohydrure ne pose aucun problème.
Potentiel réel des catalyseurs à base de chitosane
L'équipe a testé les nouveaux catalyseurs en mode discontinu et continu, en contrôlant les réactions par la mesure du flux d'hydrogène généré. Quelques sphères de la taille d'un millimètre chargées de 7% de cobalt ont suffi pour générer 40 ml d'hydrogène par minute dans un réacteur continu pendant deux jours, ce qui montre le potentiel réel de ce nouveau catalyseur.
Selon M. Rothenberg, ces travaux soulignent l'importance de la stabilité des catalyseurs en tant qu'axe de recherche. "De nombreux articles se concentrent sur l'activité et la sélectivité, car les revues se sont attachées à publier des résultats spectaculaires", explique-t-il. "Pourtant, dans l'industrie chimique, aucun de ces catalyseurs "spectaculaires" n'est utilisé dans la pratique. La raison en est qu'une réaction réussie pendant quelques heures, voire quelques jours, ne signifie rien pour les processus à grande échelle. Un vrai catalyseur doit fonctionner pendant des mois et des années pour être économiquement viable. Nous n'en sommes pas encore là.
L'hydrogène est peut-être le vecteur énergétique de l'avenir, mais il s'accompagne de son lot de difficultés. Lorsqu'il est stocké sous forme de gaz comprimé ou de liquide, l'hydrogène moléculaire, H2, consomme beaucoup d'énergie. C'est un avantage dans certaines applications, mais un problème de sécurité dans d'autres. Pour le stockage à moyenne échelle et la libération sur des installations mobiles, telles que les grues, les navires et les générateurs, d'autres modes de stockage de l'hydrogène sont préférables. Il existe de nombreuses formes de vecteurs d'hydrogène. L'ammoniac, le méthanol, l'acide formique et d'autres sont des exemples de capacité de stockage d'hydrogène élevée. Chacun a ses avantages et ses inconvénients. Le méthanol a une capacité élevée (12,5% en poids), mais la déshydrogénation nécessite des températures élevées et peut également émettre du CO2. L'ammoniac peut contaminer les flux de H2 générés et est lui-même un gaz toxique dans les conditions ambiantes. Les borohydrures alcalins peuvent constituer une source sûre d'hydrogène , en le liant chimiquement sous la forme d'un sel solide. Une réaction avec l'eau libère l'hydrogène, et le sous-produit de sel de métaborate qui en résulte peut être retraité et réutilisé pour le stockage de l'hydrogène.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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