L'iridium est un catalyseur idéal pour la production électrolytique d'hydrogène à partir de l'eau, mais il est extrêmement coûteux. Mais maintenant, un nouveau type d'électrode en matériau hautement poreux fait un excellent travail avec juste un soupçon d'iridium.

Aujourd'hui, la voie royale vers l'électrolyse efficace de l'eau pour la production d'hydrogène gazeux dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) est de réduire la quantité d'iridium, métal noble catalytiquement très actif mais effrayant, tout en maintenant la production d'hydrogène. Dans ce type de cellule d'électrolyseur, les ions hydrogène migrent via une membrane échangeuse de protons de l'anode produisant de l'oxygène à la cathode produisant de l'hydrogène. La technique membranaire offre de nombreux avantages. La membrane revêtue de catalyseur elle-même est très mince, ce qui rend la cellule électrolytique elle-même petite et plus polyvalente, et l'absence d'électrolyte liquide signifie que l'ensemble du système ne nécessite pratiquement aucun entretien. De telles cellules permettent également la production d'hydrogène à des pressions élevées, facilitant et réduisant la demande d'énergie pour un stockage supplémentaire sous forme de gaz comprimé. Enfin, le fonctionnement dynamique de la charge est possible avec la technologie PEM pour réagir aux fluctuations du courant disponible en quelques secondes, ce qui le rend approprié pour le couplage aux sources d'énergie renouvelables.

Mais la technologie a aussi un inconvénient majeur. La formation d'oxygène à l'anode dépend de l'utilisation d'oxyde d'iridium (IrO2) comme catalyseur. IrO2 est un promoteur très stable et efficace de cette réaction. Le problème est que l'iridium lui-même est plus rare que l'or ou même le platine, et il est au moins aussi cher que ce dernier. De nombreuses tentatives ont été faites pour trouver une alternative, mais rien encore testé n'approche la stabilité à long terme et l'activité catalytique de l'oxyde d'iridium.

Une pincée d'iridium suffit

Désormais chimistes du LMU impliqués dans le Pôle d'Excellence e-conversion, en collaboration avec une équipe du Forschungszentrum Jülich, ont réussi à multiplier par huit le rendement en hydrogène (par rapport à une électrode de référence commerciale) en utilisant comme catalyseur un nouveau matériau très poreux. Ce succès implique qu'il devrait être possible de développer une cellule électrolytique qui atteint le même rendement que les systèmes actuels à base d'iridium mais ne nécessite que 10 % d'iridium en plus.

La nouvelle électrode a été développée dans le cadre du réseau de recherche Kopernikus Power-2-X, qui est financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche. Ses caractéristiques de conception et de performance sont décrites dans un article publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés . Le système utilise un nouveau support oxyde à haute porosité sur lequel l'iridium peut être uniformément dispersé sous forme d'un film mince, qui est facilement accessible aux molécules d'eau et présente une activité catalytique élevée.

Chargement du catalyseur dans chaque pore

L'équipe a d'abord synthétisé des microparticules d'oxyde d'étain nanostructurées et conductrices dopées à l'antimoine. Ces particules fournissent un échafaudage hautement poreux pour la liaison du catalyseur à l'iridium. Ils ont ensuite préparé une suspension colloïdale aqueuse de nanoparticules d'oxyde d'iridium, qui ont été chargées dans les microparticules poreuses au moyen d'une réaction solvothermique à haute température et pression. Cela a entraîné la réduction des particules d'oxyde d'iridium en Ir métallique. Une dernière étape d'oxydation thermique a ensuite conduit à la formation de nanoparticules d'oxyde d'iridium au sein des pores de l'échafaudage métallique. La microscopie électronique à balayage subséquente a confirmé que chaque dernière cavité de l'échafaudage était recouverte d'un film mince du catalyseur. - Et en effet, les électrodes recouvertes du nouveau matériau ont passé le test final avec brio. En termes d'activité, c'est-à-dire la production d'hydrogène, l'efficacité par gramme d'iridium lié dépassait d'au moins huit fois celle d'un PEM disponible dans le commerce.

Comme le souligne le premier auteur de l'article, Daniel Böhm, la procédure de synthèse a un énorme avantage. « Nous pouvons maintenant nous concentrer sur l'optimisation de chaque paramètre individuellement. Les facteurs pertinents qui peuvent être ajustés incluent la composition, la structure et la taille des pores du matériau, sa conductivité et le niveau de chargement en iridium. Au final, nous obtiendrons un produit hautement actif, système entièrement optimisé. Toutes les étapes de la voie de synthèse sont également compatibles avec les exigences de production à l'échelle industrielle, l'approche pourrait donc être mûre pour une application technique dans un délai relativement court."

Le matériau actuellement utilisé dans les électrolyseurs commerciaux doit répondre à des normes très élevées afin de garantir un fonctionnement stable sur de nombreuses années. Des projets à venir qui aborderont cette question sont déjà planifiés, déclare la professeure Dina Fattakhova-Rohlfing du Forschungszentrum Jülich. "D'abord, nous voulons synthétiser des catalyseurs encore plus stables à l'aide de nouvelles nanoarchitectures. Et puis nous aimerions étudier comment les propriétés de ces matériaux se comportent lorsqu'ils sont soumis à des conditions opérationnelles sur de plus longues périodes. »