Hydrogène : percée dans les électrolyseurs à membrane alcaline
Une équipe composée de l'Université technique de Berlin, du HZB, de l'IMTEK (Université de Fribourg) et de Siemens Energy a réussi à développer un électrolyseur alcalin à membrane dont les performances s'approchent de celles des électrolyseurs PEM établis. Ce qui est particulier : Le catalyseur de l'anode est constitué de composés de nickel bon marché et non d'iridium. À BESSY II, l'équipe a pu élucider en détail les processus catalytiques. À Fribourg, des cellules prototypes ont été construites et testées en fonctionnement grâce à un nouveau procédé de revêtement.
L'hydrogène est appelé à jouer un rôle important dans le système énergétique du futur, en tant que réservoir d'énergie, combustible et matière première précieuse pour l'industrie chimique. En effet, l'hydrogène peut être produit par électrolyse de l'eau de manière presque neutre pour le climat, à condition que celle-ci se fasse avec de l'électricité produite par le soleil ou le vent. La montée en puissance de l'économie verte de l'hydrogène est actuellement déterminée de manière décisive par deux systèmes : l'électrolyse à membrane conductrice de protons (PEM) et l'électrolyse alcaline classique. Les électrolyseurs AEM combinent les avantages des deux systèmes et ne nécessitent par exemple pas de métaux précieux rares comme l'iridium.
Aujourd'hui, des équipes de recherche de l'Université technique de Berlin et du HZB, en collaboration avec l'Institut de technique des microsystèmes (IMTEK) de l'Université de Fribourg et Siemens Energy, ont présenté pour la première fois un électrolyseur qui produit de l'hydrogène presque aussi efficacement qu'un électrolyseur PEM. Au lieu d'utiliser de l'iridium, ils ont misé sur des composés d'hydroxyde double de nickel avec du fer, du cobalt ou du manganèse et ont développé un procédé permettant d'en revêtir directement une membrane échangeuse d'ions alcaline.
Pendant l'électrolyse dans la cellule, ils ont pu effectuer des mesures operando sur la source de rayons X berlinoise BESSY II à la station terminale de LIXEdrom. Une équipe de théoriciens de Singapour et des États-Unis a aidé à interpréter les données expérimentales. "Nous avons ainsi réussi à élucider les processus catalytiques et chimiques pertinents sur la membrane recouverte de catalyseur, notamment la transition de phase d'une phase alpha catalytiquement inactive à une phase gamma hautement active et le rôle joué par les différents ligands O et les centres Ni4+ dans la catalyse", explique le professeur Peter Strasser, de l'Université technique de Berlin. "C'est seulement cette phase gamma qui rend notre catalyseur compétitif par rapport aux catalyseurs actuels de pointe en iridium. Notre travail montre des similitudes importantes avec l'iridium dans le mécanisme catalytique, mais aussi des différences moléculaires tout à fait surprenantes".
L'étude a ainsi permis d'élargir de manière significative la compréhension des mécanismes de catalyse fondamentaux des nouveaux matériaux d'électrode à base de nickel. En outre, le nouveau procédé de revêtement de l'électrode à membrane promet une très bonne évolutivité. Une première petite cellule entièrement fonctionnelle a déjà été testée à l'IMTEK. Les travaux posent ainsi les bases d'une évaluation industrielle et démontrent qu'un électrolyseur d'eau AEM peut également être très efficace.
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Publication originale
M. Klingenhof, H. Trzesniowski, S. Koch, J. Zhu, Z. Zeng, L. Metzler, A. Klinger, M. Elshamy, F. Lehmann, P. W. Buchheister, A. Weisser, G. Schmid, S. Vierrath, F. Dionigi, P. Strasser; "High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands"; Nature Catalysis, 2024-10-28
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