Un nouveau catalyseur accélère la libération d'hydrogène à partir d'ammoniac
Un projet de coopération vise à faciliter l'importation d'énergie produite de manière durable
L'Allemagne ne pourra probablement répondre à sa demande d'hydrogène respectueux du climat que par des importations, par exemple d'Amérique du Sud ou d'Australie. Pour ce type de transport sur de longues distances, l'hydrogène peut être transformé en Ammoniac, par exemple. Pour faciliter la libération ultérieure de l'hydrogène, des chercheurs de l'Institut de chimie inorganique de l'université de Kiel (CAU) et leurs partenaires de coopération ont mis au point un catalyseur plus actif et plus rentable. Les résultats ont été obtenus dans le cadre du projet phare sur l'hydrogène TransHyDE, financé par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF), et ont été récemment publiés dans la revue Nature Communications.
La capacité de stocker l'énergie éolienne ou solaire joue un rôle clé dans la transition énergétique. "Le stockage de l'énergie sous forme de composés chimiques tels que l'hydrogène présente de nombreux avantages. La densité énergétique est élevée et l'industrie chimique a également besoin d'hydrogène pour de nombreux processus", explique Malte Behrens, professeur de chimie inorganique à l'université de Kiel. En outre, l'"hydrogène vert" peut être produit par électrolyse en utilisant de l'électricité provenant de sources d'énergie renouvelables sans produire de CO2.
L'infrastructure pour l'ammoniac existe déjà
Mais il n'est pas facile de transporter l'hydrogène directement depuis des régions où l'énergie éolienne et solaire est bon marché. Une alternative intéressante est la conversion chimique en ammoniac. L'ammoniac contient lui-même une quantité relativement importante d'hydrogène, et il existe déjà une infrastructure bien développée pour son transport outre-mer. "L'ammoniac peut être facilement liquéfié pour le transport, il est déjà produit à l'échelle d'une mégatonne et il est expédié et commercialisé dans le monde entier", explique Shilong Chen, chef du sous-projet de Kiel dans le cadre du projet TransHyDE "AmmoRef". Les deux scientifiques du domaine de recherche prioritaire KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) du CAU collaborent avec des collègues de Berlin, Essen, Karlsruhe et Mülheim/Ruhr. Ensemble, ils étudient comment l'hydrogène peut être libéré de l'ammoniac par voie catalytique après le transport. Leur nouveau catalyseur accélère considérablement cette réaction.
AmmoRef est l'un des dix projets TransHyDE financés par le BMBF. Des scientifiques de huit institutions au total travaillent sur divers sous-projets afin d'améliorer les technologies de transport de l'hydrogène. Les résultats seront intégrés dans les recommandations relatives à l'infrastructure nationale de l'hydrogène.
Une combinaison de métaux rend le catalyseur très actif
"Un catalyseur accélère une réaction chimique et est donc directement responsable de l'efficacité des processus chimiques et de la conversion énergétique", explique M. Behrens. Plus le processus de reformage de l'ammoniac est rapide, plus les pertes de conversion dues au stockage chimique de l'hydrogène dans l'ammoniac sont faibles. "Notre catalyseur présente deux caractéristiques particulières", explique M. Chen. "Premièrement, il est composé de métaux de base relativement peu coûteux, le fer et le cobalt. Deuxièmement, nous avons mis au point un processus de synthèse spécial qui permet une charge métallique très élevée de ce catalyseur." Jusqu'à 74 % du matériau est constitué de nanoparticules métalliques actives, qui sont disposées entre des particules de support de manière à former des cavités à l'échelle nanométrique, à la manière d'une nano-éponge métallique poreuse. "La combinaison des deux métaux dans un alliage est également cruciale", explique M. Behrens. Seuls, les deux métaux sont moins actifs sur le plan catalytique. La combinaison crée des surfaces bimétalliques très actives dont les propriétés ne sont connues que pour des métaux précieux beaucoup plus coûteux.
"Nous allons continuer à étudier ce catalyseur dans le cadre du consortium AmmoRef, auquel participent également des entreprises industrielles, et le faire passer de la recherche fondamentale à l'application", explique M. Behrens en annonçant les prochaines étapes. À cette fin, l'équipe de Kiel va maintenant travailler à l'élargissement de la synthèse.
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Publication originale
Shilong Chen, Jelena Jelic, Denise Rein, Sharif Najafishirtari, Franz-Philipp Schmidt, Frank Girgsdies, Liqun Kang, Aleksandra Wandzilak, Anna Rabe, Dmitry E. Doronkin, Jihao Wang, Klaus Friedel Ortega, Serena DeBeer, Jan-Dierk Grunwaldt, Robert Schlögl, Thomas Lunkenbein, Felix Studt, Malte Behrens; "Highly loaded bimetallic iron-cobalt catalysts for hydrogen release from ammonia"; Nature Communications, Volume 15, 2024-1-29
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