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Considéré comme une alternative propre et durable pour le stockage des énergies renouvelables intermittentes, l’hydrogène reste toutefois encore assez peu compétitif au regard des coûts de production qu’il implique. Un manque d’efficacité et de compétitivité auquel les chercheurs de l’Institut de recherche suisse Paul Scherrer (PSI) pourraient avoir trouvé une solution. Selon les résultats d’une étude publiée lundi 17 juillet 2017 dans la revue scientifique Nature Materials, l’utilisation de nanoparticules de perovskite permettrait d’augmenter de manière significative les performances du processus d’électrolyse de l’eau. Explications.
Les limites du stockage d’énergie à l’hydrogène
Parmi les options pour stocker l’énergie solaire ou éolienne, la conversion en hydrogène par électrolyse de l’eau, consiste à « casser » des molécules d’eau en hydrogène et en oxygène, en utilisant le courant produit par un panneau photovoltaïque ou un mât éolien. L’hydrogène propre peut ensuite être stocké dans des réservoirs, puis être reconverti ultérieurement en énergie électrique, au moyen de piles à combustible par exemple. Cela étant et malgré des résultats encourageants ces dernières années, les technologies de production d’hydrogène sont encore trop instables ou trop coûteuses pour constituer une alternative viable techniquement et économiquement. Le catalyseur notamment, élément déterminant qui permet d’accélérer la dissociation des molécules d’eau dans l’électrolyseur (soit la première étape de la production d’hydrogène) est généralement peu efficient et ne permet pas à l’heure actuelle aux technologies de stockage à l’hydrogène d’être véritablement compétitives sur un marché dominé par les batteries.
Lire aussi : L’hydrogène : un joker énergétique encore très discret
Pour y remédier, une équipe de chercheurs de l’Institut suisse Paul Scherrer (PSI) a développé un nouveau matériau susceptible d’améliorer significativement le rapport coût/performance de l’électrolyse. « Aujourd’hui, on trouve deux types d’électrolyseur sur le marché : les uns sont efficaces, mais chers, parce que leur catalyseur contient entre autres des métaux nobles comme l’iridium. Les autres sont meilleur marché, mais moins efficaces. Notre objectif était donc de développer un catalyseur qui soit à la fois efficace et bon marché en se passant de métaux nobles », explique Emiliana Fabbri, chercheuse au PSI.
Des nanoparticules en perovskite
Pour cela, les chercheurs du PSI ont recouru à un matériau complexe composé de baryum, de strontium, de cobalt, de fer et d’oxygène, appelé plus communément titanate de calcium ou perovskite, qu’ils ont produit sous forme de nanoparticules. Si la perovskite est déjà connue et étudiée au profit de nombreux projets de recherche sur la composition des cellules solaires, l’innovation des scientifiques suisses réside avant tout dans la miniaturisation de la matière.
Selon eux, la perovskite ne peut déployer une action efficace que sous la forme de nanoparticules. « Un catalyseur a besoin d’une surface aussi importante que possible au niveau de laquelle de nombreux centres réactifs accélèrent la réaction électrochimique. Or si l’on miniaturise autant que possible les différentes particules du catalyseur, leurs surfaces s’additionnent pour former une surface totale plus importante », poursuit Emiliana Fabbri.
Des premiers tests surprenants mais concluants
Les chercheurs ont non seulement montré que leurs développements fonctionnaient dans le cadre d’essais en laboratoire, mais aussi qu’ils étaient véritablement utilisables dans la pratique. Testé en collaboration avec un fabricant américain d’électrolyseurs, le dispositif de l’institut PSI a déjà fait preuve d’une efficacité supérieure à celui d’un catalyseur plus traditionnel composé d’oxyde d’iridium. Les analyses des premiers résultats ont bien démontré un comportement relativement instable de la perovskite mais qui s’est avéré au final avantageux dans son rôle de catalyseur.
En exploitation, la structure à la surface des particules se modifie, et le matériau devient en partie amorphe, ce qui signifie qu’à certains endroits, les atomes ne sont plus agencés de manière régulière. « Ce résultat est inattendu dans la mesure où c’est précisément ce phénomène qui contribue à faire du matériau un meilleur catalyseur. Ces travaux pourraient constituer une base importante pour le développement d’électrolyseurs d’eau de prochaine génération », conclut le PSI. Pour ne rien gâcher, ce procédé serait également très facile à mettre en œuvre dans le cadre d’une production plus large. Le procédé de fabrication fournit en effet d’importantes quantités de poudre catalytique et devrait donc pouvoir être facilement étendu à l’échelle industrielle.
Energeek
Les limites du stockage d’énergie à l’hydrogène
Parmi les options pour stocker l’énergie solaire ou éolienne, la conversion en hydrogène par électrolyse de l’eau, consiste à « casser » des molécules d’eau en hydrogène et en oxygène, en utilisant le courant produit par un panneau photovoltaïque ou un mât éolien. L’hydrogène propre peut ensuite être stocké dans des réservoirs, puis être reconverti ultérieurement en énergie électrique, au moyen de piles à combustible par exemple. Cela étant et malgré des résultats encourageants ces dernières années, les technologies de production d’hydrogène sont encore trop instables ou trop coûteuses pour constituer une alternative viable techniquement et économiquement. Le catalyseur notamment, élément déterminant qui permet d’accélérer la dissociation des molécules d’eau dans l’électrolyseur (soit la première étape de la production d’hydrogène) est généralement peu efficient et ne permet pas à l’heure actuelle aux technologies de stockage à l’hydrogène d’être véritablement compétitives sur un marché dominé par les batteries.
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Pour y remédier, une équipe de chercheurs de l’Institut suisse Paul Scherrer (PSI) a développé un nouveau matériau susceptible d’améliorer significativement le rapport coût/performance de l’électrolyse. « Aujourd’hui, on trouve deux types d’électrolyseur sur le marché : les uns sont efficaces, mais chers, parce que leur catalyseur contient entre autres des métaux nobles comme l’iridium. Les autres sont meilleur marché, mais moins efficaces. Notre objectif était donc de développer un catalyseur qui soit à la fois efficace et bon marché en se passant de métaux nobles », explique Emiliana Fabbri, chercheuse au PSI.
Des nanoparticules en perovskite
Pour cela, les chercheurs du PSI ont recouru à un matériau complexe composé de baryum, de strontium, de cobalt, de fer et d’oxygène, appelé plus communément titanate de calcium ou perovskite, qu’ils ont produit sous forme de nanoparticules. Si la perovskite est déjà connue et étudiée au profit de nombreux projets de recherche sur la composition des cellules solaires, l’innovation des scientifiques suisses réside avant tout dans la miniaturisation de la matière.
Selon eux, la perovskite ne peut déployer une action efficace que sous la forme de nanoparticules. « Un catalyseur a besoin d’une surface aussi importante que possible au niveau de laquelle de nombreux centres réactifs accélèrent la réaction électrochimique. Or si l’on miniaturise autant que possible les différentes particules du catalyseur, leurs surfaces s’additionnent pour former une surface totale plus importante », poursuit Emiliana Fabbri.
Des premiers tests surprenants mais concluants
Les chercheurs ont non seulement montré que leurs développements fonctionnaient dans le cadre d’essais en laboratoire, mais aussi qu’ils étaient véritablement utilisables dans la pratique. Testé en collaboration avec un fabricant américain d’électrolyseurs, le dispositif de l’institut PSI a déjà fait preuve d’une efficacité supérieure à celui d’un catalyseur plus traditionnel composé d’oxyde d’iridium. Les analyses des premiers résultats ont bien démontré un comportement relativement instable de la perovskite mais qui s’est avéré au final avantageux dans son rôle de catalyseur.
En exploitation, la structure à la surface des particules se modifie, et le matériau devient en partie amorphe, ce qui signifie qu’à certains endroits, les atomes ne sont plus agencés de manière régulière. « Ce résultat est inattendu dans la mesure où c’est précisément ce phénomène qui contribue à faire du matériau un meilleur catalyseur. Ces travaux pourraient constituer une base importante pour le développement d’électrolyseurs d’eau de prochaine génération », conclut le PSI. Pour ne rien gâcher, ce procédé serait également très facile à mettre en œuvre dans le cadre d’une production plus large. Le procédé de fabrication fournit en effet d’importantes quantités de poudre catalytique et devrait donc pouvoir être facilement étendu à l’échelle industrielle.
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