L'idée d'utiliser l'hydrogène comme base d'une source d'énergie propre et durable, souvent appelée économie de l'hydrogène, est un sujet de conversation depuis des décennies. Combustible hydrogène, par exemple, n'émet aucun dioxyde de carbone et est considéré comme plus durable que les combustibles fossiles traditionnels.

L'élément le plus léger du tableau périodique, l'hydrogène est un vecteur énergétique qui peut être utilisé pour alimenter les piles à combustible dans les véhicules de transport, bâtiments ou autres infrastructures. L'hydrogène peut également aider à recycler des choses comme la paille, herbes et autres biomasses en produits chimiques de grande valeur utilisés dans tout, des plastiques à la peinture en passant par les articles de soins personnels.

Mais la technologie à l'origine de ces innovations a été confrontée à de sérieux défis, principalement parce que libérer de l'hydrogène pour ces usages est produit principalement par des procédés qui nécessitent des combustibles fossiles et ont un coût environnemental :le dioxyde de carbone.

Maintenant, L'ingénieur de l'Université du Delaware, Feng Jiao, a breveté un procédé qui pourrait être la clé de la production d'hydrogène plus vert à partir d'eau en utilisant de l'électricité et un catalyseur cuivre-titane.

Un focus sur les énergies renouvelables

Jiao, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et directeur associé du Center for Catalytic Science and Technology à l'UD, n'a pas toujours été intéressé par l'électrolyse de l'eau, qui utilise l'électricité pour réduire l'eau en molécules d'hydrogène et d'oxygène. Lorsqu'il a rejoint la faculté de l'UD en 2010, son programme de recherche portait sur la capacité de stockage d'énergie des batteries.

"Mais nous avons réalisé que les batteries sont une technologie coûteuse pour le stockage d'énergie à grande échelle, mon laboratoire a donc commencé à se concentrer sur des façons bénéfiques d'utiliser l'électricité à la place, " Jiao a dit. " La conversion chimique est une façon de le faire. "

Initialement, Jiao et son équipe de recherche se sont concentrés sur le développement de procédés pour transformer le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles, comme l'éthanol qui peut être utilisé dans les carburants synthétiques, ou l'éthylène qui peut être utilisé pour produire des polymères et des plastiques. Un projet, financé par la National Science Foundation et plus tard par la National Aeronautics and Space Administration (NASA), exploré des moyens de convertir le dioxyde de carbone en oxygène, quelque chose qui serait très utile pour l'exploration de l'espace lointain. Jiao et ses étudiants ont développé un système efficace, mais ont découvert qu'ils avaient besoin d'un meilleur catalyseur pour conduire la réaction.

Alors qu'ils testaient différents métaux pour le travail, les chercheurs ont découvert de manière inattendue qu'un alliage cuivre-titane est parmi seulement quelques non précieux, catalyseurs à base de métal qui peuvent diviser l'eau en hydrogène gazeux et oxygène, un processus appelé dégagement d'hydrogène. Le cuivre et le titane sont tous deux considérés comme bon marché et relativement abondants par rapport aux métaux précieux, comme l'argent ou le platine, généralement adapté pour le travail.

L'hydrogène est actuellement produit à l'aide de ce qu'on appelle le reformage vapeur-méthane, où le gaz naturel et la chaleur élevée sont utilisés pour libérer les molécules d'hydrogène du méthane. Jiao appelle cela un « processus sale » parce que lorsque l'hydrogène gazeux est retiré, il ne reste que du carbone, généralement sous forme de dioxyde de carbone.

"Donc, vous pouvez produire de l'hydrogène à moindre coût, mais à un coût environnemental :les émissions de dioxyde de carbone, " dit Jiao.

Cela a amené Jiao à réfléchir à des moyens plus propres de produire de l'hydrogène sans le coût environnemental.

Nettoyeur, des processus plus verts

Le cuivre est connu pour être un bon conducteur de chaleur et d'électricité. C'est pourquoi c'est le matériau de choix pour le câblage électrique dans nos maisons, batterie de cuisine, électronique, pièces de véhicules à moteur, même des pièces de climatisation et de chauffage domestique.

Cependant, le cuivre seul n'est pas efficace pour produire de l'hydrogène. Mais ajoutez une chimie intéressante - et un tout petit peu de titane - et un monde de possibilités s'ouvre soudainement pour créer des catalyseurs qui tirent leur poids et servent l'environnement.

"Avec un peu de titane dedans, the copper catalyst behaves about 100 times better than copper alone, " said Jiao. This is because, when paired together, the two metals create uniquely active sites that help the hydrogen atoms strongly interact with the catalyst surface in a way that is comparable to the performance of much more expensive platinum-based catalysts.

While traditional chemical processes start with fossil fuels, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, " said Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), pour la plupart, too, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, too, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, manufacturing, and once you can build a product, you can commercialize and export it, " dit Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in Catalyse ACS , a journal of the American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.