Une recette pour un carburant sans émissions : canettes de soda, eau de mer et caféine

Dans une étude publiée dans la revue Cell Reports Physical Science, les chercheurs montrent qu'ils peuvent produire de l'hydrogène gazeux en laissant tomber des pastilles d'aluminium prétraitées de la taille d'un caillou dans un bécher d'eau de mer filtrée. L'aluminium est prétraité à l'aide d'un alliage de métaux rares qui nettoie efficacement l'aluminium pour le rendre pur et lui permettre de réagir avec l'eau de mer pour produire de l'hydrogène. Les ions salins de l'eau de mer peuvent à leur tour attirer et récupérer l'alliage, qui peut être réutilisé pour produire davantage d'hydrogène, dans un cycle durable.

L'équipe a constaté que cette réaction entre l'aluminium et l'eau de mer produisait de l'hydrogène gazeux, mais lentement. Par curiosité, ils ont ajouté du marc de café au mélange et ont constaté, à leur grande surprise, que la réaction s'accélérait.

Finalement, l'équipe a découvert qu'une faible concentration d'imidazole - un ingrédient actif de la caféine - suffit à accélérer considérablement la réaction, produisant la même quantité d'hydrogène en cinq minutes seulement, contre deux heures sans l'ajout du stimulant.

Les chercheurs développent un petit réacteur qui pourrait fonctionner sur un navire ou un véhicule sous-marin. Le navire contiendrait des pastilles d'aluminium (recyclées à partir de vieilles canettes de soda et d'autres produits en aluminium), ainsi qu'une petite quantité de gallium-indium et de caféine. Ces ingrédients pourraient être périodiquement introduits dans le réacteur, avec une partie de l'eau de mer environnante, pour produire de l'hydrogène à la demande. L'hydrogène pourrait alors alimenter un moteur embarqué pour entraîner un moteur ou produire de l'électricité pour alimenter le navire.

"C'est très intéressant pour les applications maritimes telles que les bateaux ou les véhicules sous-marins, car il n'est pas nécessaire de transporter de l'eau de mer, qui est facilement disponible", explique l'auteur principal de l'étude, Aly Kombargi, étudiant en doctorat au département de génie mécanique du MIT. "Nous n'avons pas non plus besoin de transporter un réservoir d'hydrogène. Au lieu de cela, nous transporterions de l'aluminium comme 'carburant' et nous ajouterions simplement de l'eau pour produire l'hydrogène dont nous avons besoin".

Les coauteurs de l'étude sont Enoch Ellis, étudiant en génie chimique, Peter Godart PhD '21, qui a fondé une entreprise de recyclage de l'aluminium comme source d'hydrogène, et Douglas Hart, professeur de génie mécanique au MIT.

Boucliers levés

L'équipe du MIT, dirigée par Hart, développe des méthodes efficaces et durables pour produire de l'hydrogène gazeux, considéré comme une source d'énergie "verte" qui pourrait alimenter les moteurs et les piles à combustible sans générer d'émissions responsables du réchauffement climatique.

L'un des inconvénients de l'alimentation des véhicules en hydrogène est que certaines conceptions nécessiteraient que le gaz soit transporté à bord comme de l'essence traditionnelle dans un réservoir - une configuration risquée, compte tenu du potentiel de volatilité de l'hydrogène. Hart et son équipe ont donc cherché des moyens d'alimenter les véhicules en hydrogène sans avoir à transporter constamment le gaz lui-même.

Ils ont trouvé une solution dans l'aluminium, un matériau naturellement abondant et stable qui, au contact de l'eau, subit une réaction chimique simple qui génère de l'hydrogène et de la chaleur.

Cette réaction s'accompagne toutefois d'une sorte d'impasse : si l'aluminium peut générer de l'hydrogène lorsqu'il est mélangé à l'eau, il ne peut le faire qu'à l'état pur, exposé. Dès que l'aluminium rencontre de l'oxygène, comme dans l'air, la surface forme immédiatement une fine couche d'oxyde, semblable à un bouclier, qui empêche toute réaction ultérieure. C'est cette barrière qui explique pourquoi l'hydrogène ne jaillit pas immédiatement lorsqu'on laisse tomber une canette de soda dans l'eau.

Lors de travaux antérieurs réalisés avec de l'eau douce, l'équipe a découvert qu'elle pouvait percer le bouclier de l'aluminium et maintenir la réaction avec l'eau en prétraitant l'aluminium avec une petite quantité d'alliage de métaux rares composé d'une concentration spécifique de gallium et d'indium. L'alliage sert d'"activateur", en éliminant toute accumulation d'oxyde et en créant une surface d'aluminium pure, libre de réagir avec l'eau. Lorsqu'ils ont effectué la réaction dans de l'eau fraîche désionisée, ils ont constaté qu'une pastille d'aluminium prétraitée produisait 400 millilitres d'hydrogène en seulement cinq minutes. Ils estiment qu'un seul gramme de pastilles produirait 1,3 litre d'hydrogène dans le même laps de temps.

Mais pour développer davantage le système, il faudrait disposer d'une quantité importante de gallium et d'indium, qui sont relativement chers et rares.

"Pour que cette idée soit rentable et durable, nous avons dû travailler sur la récupération de cet alliage après la réaction", explique M. Kombargi.

Au bord de la mer

Dans ses nouveaux travaux, l'équipe a découvert qu'elle pouvait récupérer et réutiliser l'indium gallium à l'aide d'une solution d'ions. Les ions - atomes ou molécules dotés d'une charge électrique - protègent l'alliage métallique de la réaction avec l'eau et l'aident à se précipiter sous une forme qui peut être récupérée et réutilisée.

"Heureusement pour nous, l'eau de mer est une solution ionique très bon marché et disponible", explique M. Kombargi, qui a testé l'idée avec de l'eau de mer provenant d'une plage voisine. "Je suis allé à Revere Beach avec un ami, nous avons pris nos bouteilles et les avons remplies, puis j'ai filtré les algues et le sable, j'ai ajouté de l'aluminium et j'ai obtenu les mêmes résultats.

Il a constaté que de l'hydrogène se dégageait effectivement lorsqu'il ajoutait de l'aluminium à un bécher d'eau de mer filtrée. Il a pu ensuite récupérer le gallium et l'indium. Mais la réaction s'est produite beaucoup plus lentement que dans l'eau douce. Il s'avère que les ions présents dans l'eau de mer agissent comme un bouclier pour l'indium gallium, de sorte qu'il peut coalescer et être récupéré après la réaction. Mais les ions ont un effet similaire sur l'aluminium, construisant une barrière qui ralentit sa réaction avec l'eau.

En cherchant des moyens d'accélérer la réaction dans l'eau de mer, les chercheurs ont essayé des ingrédients variés et non conventionnels.

"Nous avons découvert que lorsque nous ajoutions du marc de café à l'eau de mer et que nous y faisions tomber des pastilles d'aluminium, la réaction était assez rapide par rapport à l'eau de mer seule", explique M. Kombargi.

Pour savoir ce qui pouvait expliquer cette accélération, l'équipe a contacté des collègues du département de chimie du MIT, qui lui ont suggéré d'essayer l'imidazole, un ingrédient actif de la caféine, dont la structure moléculaire peut percer l'aluminium (ce qui permet au matériau de continuer à réagir avec l'eau), tout en laissant intact le bouclier ionique de l'indium gallium.

"C'était notre grande victoire", explique M. Kombargi. "Nous avions tout ce que nous voulions : récupérer l'indium gallium et obtenir une réaction rapide et efficace.

Les chercheurs pensent qu'ils disposent des ingrédients essentiels pour faire fonctionner un réacteur à hydrogène durable. Ils prévoient de le tester d'abord dans des véhicules marins et sous-marins. Ils ont calculé qu'un tel réacteur, contenant environ 40 livres de pastilles d'aluminium, pourrait alimenter un petit planeur sous-marin pendant environ 30 jours en pompant l'eau de mer environnante et en produisant de l'hydrogène pour alimenter un moteur.

Nous montrons une nouvelle façon de produire de l'hydrogène, sans transporter d'hydrogène mais en transportant de l'aluminium comme "combustible"", explique M. Kombargi. "L'étape suivante consiste à trouver un moyen de l'utiliser pour les camions, les trains et peut-être les avions. Peut-être qu'au lieu de devoir transporter de l'eau, nous pourrions extraire l'eau de l'humidité ambiante pour produire de l'hydrogène. C'est ce qui nous attend."