La capacité des plantes à récolter la lumière du soleil et à diviser l'eau en hydrogène et en oxygène par photosynthèse a longtemps fasciné les scientifiques, qui ont cherché à reproduire le processus pour capturer l'hydrogène en tant que source de carburant renouvelable et durable.

Malgré sa promesse, l'utilisation à grande échelle de l'hydrogène est limitée par le coût et l'efficacité de ses procédés d'extraction, ce qui nécessite un apport d'énergie pour inverser la réaction qui combine l'oxygène et l'hydrogène en premier lieu.

Une méthode est l'électrolyse, où un courant électrique est appliqué à l'eau en insérant deux électrodes et la liaison chimique entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène est rompue.

Cela libère l'hydrogène sous forme de gaz qui peut être capturé et converti en énergie électrique dans une pile à combustible, où les seuls sous-produits de son utilisation sont la chaleur et l'eau.

Le défi pour les scientifiques est de trouver un catalyseur pour conduire l'électrolyse qui nécessite moins d'énergie que celle obtenue à partir de l'hydrogène résultant.

Pour compliquer les choses, les matériaux utilisés dans l'électrolyse commencent à se corroder lorsqu'un courant est appliqué, nécessitant l'utilisation de métaux nobles, comme le platine, or ou argent.

Ce sont des métaux chers et rares qui sont généralement utilisés en électronique, médecine et comme catalyseurs de réactions chimiques.

Défis catalytiques

Dr Yi Du, chercheur principal à l'Institut des matériaux supraconducteurs et électroniques (ISEM) de l'Université de Wollongong, a déclaré que le plus grand défi de la division de l'eau à l'échelle industrielle est de trouver une efficacité élevée, électrocatalyseurs bon marché et abondants en terre, ce qui peut abaisser la tension nécessaire pour diviser l'eau en hydrogène.

« L'eau est une source propre et accessible de manière durable, ce qui en fait un substitut attractif et prometteur au gaz de pétrole liquéfié si l'on peut baisser l'énergie demandée pour séparer l'eau, " dit le Dr Du.

"En général, il existe peu d'électrocatalyseurs pour rendre la production d'hydrogène suffisamment rentable pour une utilisation à l'échelle commerciale. »

L'équipe du Dr Du à l'ISEM, en collaboration avec des chercheurs de l'Université Beihang en Chine, ont fabriqué un électrocatalyseur haute performance en utilisant un métal à faible coût qui s'avère approprié pour une utilisation dans le fractionnement de l'eau.

Les oxydes de titane sont une matière première abondante que l'on trouve couramment sous forme de poudre blanche dans les minerais, sables et sols, et souvent utilisés comme pigments dans des produits tels que les écrans solaires, produits de beauté, peintures et colles, entre autres utilisations.

Alors que le titane a une excellente résistance à la corrosion et conductivité électrique, dans son oxyde c'est un isolant, et les chercheurs ont longtemps pensé qu'il ne convenait pas à une utilisation comme électrocatalyseur.

L'équipe du Dr Du a pu prélever un monocristal d'oxyde de titane et dans une chambre à vide, enlever tous les atomes d'oxygène de la surface, laissant un conducteur, matériau catalyseur durable et efficace, bon marché et facile à produire

« Par rapport à un catalyseur traditionnel, l'oxyde de titane conducteur nécessite très peu d'apport d'énergie pour entraîner le processus de séparation de l'eau d'électrolyse, " dit le Dr Du.

"En introduisant un grand nombre de lacunes d'oxygène à la surface du matériau, nous pouvons optimiser ses propriétés physiques et chimiques pour qu'il soit actif pour le fractionnement de l'eau.

"Nous avons démontré qu'une série de terres abondantes, les matériaux à faible coût et chimiquement stables à base de titane sont des électrocatalyseurs prometteurs dans le fractionnement de l'eau, ce qui peut réduire considérablement le coût de cette technique et accélérer son utilisation à grande échelle."

Potentiel énergétique zéro émission

Si l'énergie électrique pour alimenter la réaction provient également de la production d'énergie renouvelable, le processus a le potentiel d'être proche de la neutralité énergétique.

"Il y a pas mal d'applications pour l'utilisation de ce carburant, l'application la plus prometteuse est peut-être la division de l'eau à grande échelle pour alimenter des usines qui ont des besoins énergétiques élevés, " dit le Dr Du.

L'hydrogène peut être converti en énergie électrique grâce à des piles à combustible qui peuvent fonctionner en continu en présence d'hydrogène et d'oxygène.

"L'utilisation de cellules solaires pour récolter de l'énergie pour alimenter le processus est également un moyen prometteur de produire de l'hydrogène de manière durable avec zéro émission pour une utilisation dans le transport via des véhicules à pile à combustible à hydrogène."

Alors que saisir le tuyau d'arrosage pour alimenter la voiture peut sembler de la science-fiction, Le Dr Du a déclaré que les défis fondamentaux du côté de la production de l'équation de l'hydrogène étaient le coût et l'efficacité.

"Le plus grand défi reste le coût du catalyseur. C'est pourquoi nous avons besoin d'un catalyseur efficace et bon marché, qui peut convertir efficacement l'eau en hydrogène."

Les travaux ont été publiés récemment dans la revue Catalyse ACS et est basé sur une collaboration avec l'Université de Beihang via le Centre commun de recherche Beihang-UOW.