Une nouvelle méthode électrochimique divise l’eau et l’électricité pour produire de l’hydrogène – et réduit ainsi les coûts énergétiques

Les scientifiques ont développé une nouvelle technique qui double la quantité d’hydrogène produite lors de la division des molécules d’eau avec l’électricité. La méthode fonctionne en ajoutant une simple molécule organique et un catalyseur modifié au réacteur.

La méthode adaptée réduit les coûts énergétiques jusqu’à 40 % et pourrait offrir une « voie prometteuse pour une production d’hydrogène efficace et évolutive », ont déclaré les chercheurs dans une nouvelle étude publiée le 1er décembre dans le journal. Journal de génie chimique.

« L’hydrogène est l’un des produits chimiques les plus demandés », co-auteur de l’étude Hamed Heidarpourdoctorant à l’Université McGill de Montréal, Canada, a déclaré à Live Science. L’hydrogène est utilisé pour la production d’ammoniac pour produire des engrais, dans des piles à combustible pour produire de l’énergie électrique, ou brûlé pour produire directement de l’énergie, a déclaré Heidarpour.

Le principal moyen de produire de l’hydrogène est le reformage à la vapeur, qui consiste à faire réagir de l’eau avec du gaz naturel à des températures et des pressions élevées pour séparer les atomes d’oxygène et d’hydrogène de l’eau. Mais ces conditions signifient que le processus est gourmand en énergie et nécessite la combustion de grandes quantités de combustibles fossiles.

Utiliser l’électricité pour diviser l’eau en molécules d’hydrogène et d’oxygène – une méthode connue sous le nom d’électrolyse – pourrait potentiellement offrir un moyen de créer de l’hydrogène sans émissions directes de dioxyde de carbone.

Vers une production d’hydrogène plus verte – YouTube

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Cela fonctionne en connectant deux plaques métalliques appelées électrodes à une alimentation en courant continu et en immergeant les extrémités des plaques dans l’eau. L’application d’électricité au circuit génère de l’hydrogène au niveau de l’électrode négative (anode) et de l’oxygène au niveau de l’électrode positive (cathode).

Cependant, l’électrolyse de l’eau est actuellement inefficace, coûteuse et consomme beaucoup d’électricité, qui provient souvent de sources non renouvelables. La principale inefficacité réside dans la production d’oxygène à l’anode, a expliqué Heidarpour.

Pour surmonter ce problème, l’équipe à l’origine de la nouvelle étude a adapté la configuration d’électrolyse standard pour remplacer la réaction de formation d’oxygène par une réaction qui produit de l’hydrogène en oxydant une molécule organique.

Tout d’abord, les chercheurs ont installé deux chambres contenant des solutions d’hydroxyde de potassium (KOH), séparées par une fine membrane, puis ont connecté une électrode à l’une ou l’autre chambre pour former un circuit. L’équipe a ajouté un produit chimique appelé hydroxyméthylfurfural (HMF) à la chambre anodique, ainsi qu’un catalyseur en cuivre modifié. Heidarpour a déclaré que les atomes de chrome, à la surface de leur catalyseur spécialement conçu, contribuent à favoriser la production d’hydrogène en stabilisant les atomes de cuivre dans leur état réactif.

Lorsque l’équipe a appliqué de l’électricité, les électrons de l’anode ont oxydé les groupes aldéhyde des molécules de HMF. Cela a généré de l’hydrogène et un sous-produit appelé HMFCA, qui pourrait être utilisé comme matière première chimique pour fabriquer des bioplastiques, a déclaré Heidarpour. (Les aldéhydes ont un atome de carbone doublement lié à un atome d’oxygène et une simple liaison à un atome d’hydrogène.)

Cette méthode adaptée double efficacement la quantité d’hydrogène produite en une seule fois, tout en tenant également compte de l’hydrogène créé par la division des molécules d’eau à la cathode, comme d’habitude.

Les réactions se sont également déroulées à environ 0,4 volt, soit environ 1 volt de moins que dans l’électrolyse de l’eau conventionnelle. Les chercheurs ont déclaré que cela permettait de réduire la consommation globale d’énergie jusqu’à 40 %.

Heidarpour a déclaré que l’équipe n’était pas la première à signaler cela type de stratégie mais ont expliqué qu’ils avaient augmenté le taux global de production d’hydrogène en utilisant un catalyseur plus efficace.

Le HMF est souvent fabriqué en décomposant des matières végétales non alimentaires telles que les résidus de papier, ce qui en fait un réactif intéressant à utiliser dans ces systèmes. Cependant, le HMF est actuellement un matériau coûteux.

D’autres molécules contenant de l’aldéhyde, comme le formaldéhyde, pourraient être utilisées à la place. « Là où il existe un excédent de substrats organiques de faible valeur, leur oxydation en produits chimiques plus précieux avec génération simultanée d’hydrogène pourrait être un moyen attrayant et respectueux de l’environnement de produire deux matières premières à la fois. » Marc Symesprofesseur d’électrochimie et de technologie électrochimique à l’Université de Glasgow, qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré à Live Science dans un e-mail.

Les chercheurs ont noté qu’il existe encore des moyens d’améliorer le processus pour le rendre plus efficace.

Par exemple, des travaux supplémentaires doivent être réalisés pour améliorer la stabilité du catalyseur afin qu’il « puisse fonctionner pendant des milliers d’heures dans un environnement industriel », a déclaré Heidarpour.