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Faire fonctionner le monde avec des énergies renouvelables est simple, en principe : récolter l’énergie solaire et éolienne, et utiliser des dispositifs appelés électrolyseurs qui divisent l’eau en oxygène (O2) et en hydrogène gazeux. L’hydrogène (H2) peut servir de combustible; c’est aussi un élément de base de l’industrie chimique. Le problème est que les électrolyseurs actuels sont coûteux et nécessitent soit des catalyseurs onéreux, soit des boîtiers métalliques coûteux.

Une nouvelle génération d’électrolyseur

Aujourd’hui, des chercheurs affirment avoir combiné le meilleur des deux approches pour en faire une version qui ne nécessite que des matériaux bon marché. « Je considère cela comme une grande avancée », déclare Hui Xu, ingénieur chimiste chez Giner Inc, une société d’électrochimie. Xu dit que lui et ses collègues ont présenté des résultats similaires lors d’une réunion du ministère de l’Énergie l’année dernière, mais qu’ils ne les ont pas encore publiés.
Leur travail et le nouveau dispositif d’une autre équipe, pourraient renforcer l’adoption mondiale des énergies renouvelables si ces nouveaux électrolyseurs s’avèrent bon marché et stables pendant de nombreuses années de fonctionnement. « Nous sommes sur le point d’y parvenir », déclare Yushan Yan, ingénieur chimiste à l’université du Delaware, à Newark, qui travaille sur une technologie similaire. Une poignée de petites entreprises, dont une qu’il a fondée, se sont constituées pour la commercialiser.

Séparer l’eau est connu depuis longtemps

Les scientifiques savent depuis plus de 200 ans comment diviser l’eau en H2 et O2 : mettez deux électrodes métalliques dans un bocal d’eau, appliquez une tension électrique entre elles, et l’H2 et l’O2 feront des bulles sur des électrodes séparées. Comme un mélange de ces gaz peut exploser, les installations les plus courantes aujourd’hui séparent l’anode et la cathode avec une feuille de plastique épaisse et poreuse. Ils utilisent également des catalyseurs métalliques, le plus souvent peu coûteux, comme le nickel et le fer, pour accélérer les réactions.
Pour que l’eau puisse mieux conduire les ions qui se déplacent dans ces appareils, les électrolyseurs les plus courants aujourd’hui ajoutent à l’eau des niveaux élevés d’hydroxyde de potassium (KOH). À la cathode, ou l’électrode négative, les molécules d’eau se divisent en ions H+ et OH-. Les ions H+ se combinent avec les électrons de la cathode pour former de l’H2. Les ions OH- diffusent à travers la membrane vers l’anode, ou électrode positive, où ils réagissent pour produire de l’O2 et de l’eau.

Une meilleure approche

Aujourd’hui, Kim et ses collègues de Los Alamos, ainsi que des chercheurs de l’Université d’État de Washington, affirment avoir trouvé une meilleure approche. Leur nouveau dispositif crée un environnement hautement alcalin pour encourager la division de l’eau. Mais il le fait avec l’approche PEM qui consiste à attacher les catalyseurs aux faces opposées d’une membrane conductrice d’ions. Les catalyseurs situés du côté de la cathode divisent les molécules d’eau en ions H+ et OH-. Le premier se transforme en H2, et le second traverse la membrane, appelée membrane échangeuse d’anions (AEM). Cette membrane est conçue pour créer un environnement local très alcalin qui accélère le déplacement des ions OH- vers l’anode, où les catalyseurs attachés les incitent à réagir pour produire de l’O2.
Le résultat est que les conditions alcalines près de la membrane permettent à l’électrolyseur de compter sur des catalyseurs à base de nickel, de fer et de molybdène, qui sont abondants et bon marché, pour séparer l’eau. Cependant, comme l’alcalinité est localisée, l’électrolyseur peut être construit en acier inoxydable. Ce nouveau dispositif génère de l’hydrogène environ trois fois plus vite que les dispositifs alcalins ordinaires, mais toujours plus lentement que les électrolyseurs PEM commerciaux, rapportent Kim et ses collègues. « La combinaison de l’ancienne technologie alcaline et de la technologie PEM à membrane est la voie à suivre », déclare Xu.

Une nouvelle technologie pour un monde sans carbone

Ce nouveau dispositif doit prouver sa durabilité. Les premières indications suggèrent que cette membrane commence à se décomposer après seulement 10 heures de fonctionnement. Selon Kim, le principal problème est probablement que la membrane en polymère absorbe facilement l’eau. Avec le temps, les particules de catalyseur peuvent se décoller et s’éloigner. L’équipe espère que l’ajout de fluor repoussera l’eau. Avec cette solution et d’autres, Kim espère que les électrolyseurs AEM pourraient rejoindre les cellules solaires et les éoliennes en tant que technologie clé pour un monde sans carbone.
Source : Science
Crédit photo : Pexels

Un séparateur d'eau pour obtenir de l'hydrogènemartinTechnologie
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