Les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques, mais le platine métallique largement utilisé est rare et cher. Chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e), avec le chinois, chercheurs singapouriens et japonais, ont maintenant développé une alternative avec une activité 20 fois plus élevée :un catalyseur avec des nanocages creuses d'un alliage de nickel et de platine. Le chercheur de TU/e ​​Emiel Hensen souhaite utiliser ce nouveau catalyseur pour développer à l'avenir un électrolyseur de la taille d'un réfrigérateur d'environ 10 mégawatts. Les résultats seront publiés le 15 novembre dans la revue Science .

D'ici 2050, le gouvernement national vise à obtenir la quasi-totalité des besoins énergétiques des Pays-Bas à partir de sources durables, comme le soleil ou le vent. Parce que ces sources d'énergie ne sont pas disponibles à tout moment, il est important de pouvoir stocker l'énergie générée. Compte tenu de leur faible densité énergétique, les batteries ne sont pas adaptées pour stocker de très grandes quantités d'énergie. Une meilleure solution est les liaisons chimiques, avec l'hydrogène comme choix de gaz le plus évident. En utilisant de l'eau, un électrolyseur convertit (un excès d') énergie électrique en hydrogène, qui peut être stocké. À un stade ultérieur, une pile à combustible fait le contraire, reconvertir l'hydrogène stocké en énergie électrique. Les deux technologies nécessitent un catalyseur pour piloter le processus.

Le catalyseur qui aide à ces conversions est, en raison de sa forte activité, principalement composé de platine. Mais le platine est très cher et relativement rare; un problème si nous voulons utiliser des électrolyseurs et des piles à combustible à grande échelle. professeur TU/e ​​catalyse, Emiel Hensen dit, « D'autres chercheurs chinois ont donc développé un alliage de platine et de nickel, ce qui réduit les coûts et augmente l'activité."

Un catalyseur efficace a une activité élevée; il convertit plus de molécules d'eau en hydrogène chaque seconde. Hensen dit, « Chez TU/e, nous avons étudié l'influence du nickel sur les étapes clés de la réaction et à cette fin, nous avons développé un modèle informatique basé sur des images d'un microscope électronique. Avec des calculs de chimie quantique, nous avons pu prédire l'activité du nouvel alliage, et nous pourrions comprendre pourquoi ce nouveau catalyseur est si efficace."

Testé avec succès dans une pile à combustible

En plus de l'autre choix de métal, les chercheurs ont également pu apporter des modifications significatives à la morphologie. Les atomes du catalyseur doivent se lier aux molécules d'eau et/ou d'oxygène pour pouvoir les convertir. Plus de sites de liaison conduiront donc à une activité plus élevée. Hensen dit, "Vous voulez rendre disponible le plus de surface métallique possible. Les nanocages creuses développées sont accessibles de l'extérieur comme de l'intérieur. Cela crée une grande surface, permettant à plus de matériau de réagir en même temps. Hensen a démontré avec des calculs de chimie quantique que les structures de surface spécifiques des nanocages augmentent encore plus l'activité.

Après calculs dans le modèle de Hensen, il s'avère que l'activité des deux solutions combinées est 20 fois supérieure à celle des catalyseurs au platine actuels. Les chercheurs ont également trouvé ce résultat dans des tests expérimentaux dans une pile à combustible. "Une critique importante de beaucoup de travaux fondamentaux est qu'il fait son travail en laboratoire, mais quand quelqu'un le met dans un vrai appareil, ça ne marche souvent pas. Nous avons montré que ce nouveau catalyseur fonctionne dans une application réelle."

La stabilité d'un catalyseur doit être telle qu'il puisse continuer à fonctionner dans une voiture ou une maison à hydrogène pendant des années. Les chercheurs ont donc testé le catalyseur sur 50, 000 « tours » dans la pile à combustible, et a vu une diminution négligeable de l'activité.

Électrolyseur dans chaque quartier

Les possibilités de ce nouveau catalyseur sont multiples. À la fois sous la forme de la pile à combustible et de la réaction inverse dans un électrolyseur. Par exemple, les piles à combustible sont utilisées dans les voitures à hydrogène tandis que certains hôpitaux ont déjà des générateurs de secours avec des piles à combustible à hydrogène. Un électrolyseur peut être utilisé, par exemple, sur les parcs éoliens en mer ou peut-être même à côté de chaque éolienne. Le transport de l'hydrogène est beaucoup moins cher que le transport de l'électricité.

Le rêve de Hensen va plus loin. Il dit, « J'espère que nous pourrons bientôt installer un électrolyseur dans chaque quartier. Cet appareil de la taille d'un réfrigérateur stocke toute l'énergie des panneaux solaires sur les toits du quartier pendant la journée sous forme d'hydrogène. Les gazoducs souterrains transporteront l'hydrogène dans futur, et la chaudière de chauffage central domestique sera remplacée par une pile à combustible, ce dernier reconvertissant l'hydrogène stocké en électricité. C'est ainsi que nous pouvons profiter au maximum du soleil."

Mais pour que cela se produise, l'électrolyseur doit encore faire l'objet d'un développement considérable. En collaboration avec d'autres chercheurs TU/e ​​et partenaires industriels de la région du Brabant, Hensen est donc impliqué dans le démarrage de l'institut de l'énergie de la TU Eindhoven. L'objectif est de transformer les électrolyseurs commerciaux actuels en un électrolyseur de la taille d'un réfrigérateur d'environ 10 mégawatts.