McKenzie Hubert, étudiant diplômé de Stanford, regarde un catalyseur produire des bulles d'hydrogène dans un petit électrolyseur de laboratoire. Le catalyseur, phosphure de cobalt, est beaucoup moins cher que le catalyseur au platine utilisé aujourd'hui et pourrait réduire le coût d'un processus de fabrication d'hydrogène - un carburant et un produit chimique industriel important - à grande échelle avec des énergie renouvelable. Crédit :Jacqueline Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont montré pour la première fois qu'un catalyseur bon marché peut diviser l'eau et générer de l'hydrogène gazeux pendant des heures dans l'environnement hostile d'un appareil commercial.
La technologie de l'électrolyseur, qui est basé sur une membrane électrolytique polymère (PEM), a un potentiel de production d'hydrogène à grande échelle alimentée par des énergies renouvelables, mais il a été freiné en partie par le coût élevé des catalyseurs de métaux précieux, comme le platine et l'iridium, nécessaire pour augmenter l'efficacité des réactions chimiques.
Cette étude montre la voie vers une solution moins chère, les chercheurs ont rapporté aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .
« L'hydrogène gazeux est un produit chimique industriel extrêmement important pour la fabrication de carburant et d'engrais, entre autres, " a déclaré Thomas Jaramillo, directeur du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, qui a dirigé l'équipe de recherche. "C'est aussi un nettoyage, molécule à haute teneur en énergie qui peut être utilisée dans les piles à combustible ou pour stocker l'énergie générée par des sources d'énergie variables comme le solaire et l'éolien. Mais la plupart de l'hydrogène produit aujourd'hui est fabriqué à partir de combustibles fossiles, augmentant le niveau de CO2 dans l'atmosphère. Nous avons besoin d'un moyen rentable de le produire avec de l'énergie propre."
Du métal cher au bon marché, matériaux abondants
Il y a eu un travail considérable au fil des ans pour développer des alternatives aux catalyseurs de métaux précieux pour les systèmes PEM. Beaucoup ont été montrés pour travailler dans un environnement de laboratoire, mais Jaramillo a déclaré qu'à sa connaissance, c'est le premier à démontrer des performances élevées dans un électrolyseur commercial. L'appareil a été fabriqué par un site de recherche en électrolyse PEM et une usine du Connecticut pour Nel Hydrogen, le plus ancien et le plus grand fabricant d'électrolyseurs au monde.
Plutôt que de produire de l'électricité, un électrolyseur utilise le courant électrique pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Crédit :Greg Stewart, Laboratoire national des accélérateurs SLAC
L'électrolyse fonctionne un peu comme une batterie à l'envers :plutôt que de produire de l'électricité, il utilise le courant électrique pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Les réactions qui génèrent de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux ont lieu sur différentes électrodes utilisant différents catalyseurs de métaux précieux. Dans ce cas, l'équipe Nel Hydrogen a remplacé le catalyseur au platine côté générateur d'hydrogène par un catalyseur constitué de nanoparticules de phosphure de cobalt déposées sur du carbone pour former une fine poudre noire, qui a été produit par les chercheurs du SLAC et de Stanford. Comme d'autres catalyseurs, il rassemble d'autres produits chimiques et les encourage à réagir.
Le catalyseur au phosphure de cobalt a extrêmement bien fonctionné pendant toute la durée de l'essai, plus de 1, 700 heures - une indication qu'il peut être assez robuste pour une utilisation quotidienne dans des réactions qui peuvent avoir lieu à des températures élevées, pressions et densités de courant et dans des conditions extrêmement acides sur des durées prolongées, dit McKenzie Hubert, un étudiant diplômé du groupe de Jaramillo qui a mené les expériences avec Laurie King, un ingénieur de recherche SUNCAT qui a depuis rejoint la faculté de l'Université métropolitaine de Manchester.
« Notre groupe étudie ce catalyseur et les matériaux associés depuis un certain temps, " Hubert dit, "et nous l'avons pris à partir d'une échelle de laboratoire fondamentale, étape expérimentale en le testant dans des conditions de fonctionnement industriel, où vous devez couvrir une surface beaucoup plus grande avec le catalyseur et il doit fonctionner dans des conditions beaucoup plus difficiles."
L'un des éléments les plus importants de l'étude a été d'augmenter la production du catalyseur de phosphure de cobalt tout en le maintenant très uniforme - un processus qui impliquait de synthétiser le matériau de départ sur la paillasse du laboratoire, broyage avec un mortier et un pilon, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.
Hydrogen gas is a massively important industrial chemical for making fuel and fertilizer, and a clean, high-energy-content molecule that can be used in fuel cells or to store energy generated by variable power sources like solar and wind. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Producing hydrogen gas at scale
While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, transport, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.
Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, mentionné, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.
"The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."
While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.
