Des chimistes développent un nouvel électrolyseur pour la production d’hydrogène

Des chimistes de l'Université d'Amsterdam développent un nouvel électrolyseur pour la production d'hydrogène

Représentation schématique de la préparation de l’électrocatalyseur microstructuré en carbone dopé à l’azote incorporé FeP-CoP qui est au cœur du nouvel électrolyseur. Crédit : HIMS

Dans un récent Communication Nature paper, un groupe de chercheurs dirigé par le Dr Ning Yan de l’Institut Van ‘t Hoff des sciences moléculaires de l’Université d’Amsterdam présente une approche pratique sans membrane de l’électrolyse de l’eau à l’aide de catalyseurs abondants dans la terre. Leur nouveau concept d’électrolyseur, développé en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Wuhan et de l’Université de technologie de Wuhan, offre des avantages significatifs par rapport aux électrolyseurs actuellement développés pour la production d’hydrogène à grande échelle.

La transition vers une économie de l’hydrogène est indispensable pour faire progresser les pratiques énergétiques durables ainsi que pour lutter contre le changement climatique. L’hydrogène produit par électrolyse de l’eau à l’aide d’électricité renouvelable peut être utilisé à la fois comme vecteur d’énergie propre et comme réactif pour la fabrication de produits chimiques en vrac à partir de CO2. L’électrolyse de l’eau à grande échelle est une technologie essentielle pour atteindre ces objectifs. Cependant, si les électrolyseurs sont connus depuis plus de 200 ans, la technologie est toujours confrontée à des défis majeurs. Par exemple, l’électrolyse alcaline conventionnelle est plus adaptée pour fonctionner à faible densité de courant et basse pression, tandis que l’électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM) émergent nécessite l’utilisation de catalyseurs de métaux nobles rares et une purification poussée de l’eau.

Architecture en sandwich

Aujourd’hui, un groupe de chercheurs dirigé par le Dr Ning Yan de l’Institut Van ‘t Hoff des sciences moléculaires de l’Université d’Amsterdam présente un nouveau type d’électrolyseur sans membrane qui peut diviser l’eau en hydrogène et oxygène à haute densité de courant en utilisant uniquement de la terre. catalyseurs abondants. Le travail, réalisé en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Wuhan et de l’Université de technologie de Wuhan, a récemment été présenté dans un article à Communication Nature.

Le nouvel électrolyseur comprend deux compartiments identiques et séparés avec une architecture en sandwich. A travers ce sandwich coulent deux solutions : un catholyte riche en hydrogène et un anolyte riche en oxygène. Pendant le fonctionnement, l’anolyte et le catholyte vont et viennent de sorte que les rôles de chaque compartiment sont continuellement inversés. En conséquence, le nouvel électrolyseur fournit de l’hydrogène gazeux d’une pureté supérieure à 99 %.

Des chimistes de l'Université d'Amsterdam développent un nouvel électrolyseur pour la production d'hydrogène

Prototype à l’échelle du banc de l’électrolyseur d’eau sans membrane. Crédit : HIMS

Selon le Dr Yan, cette nouvelle configuration combine le meilleur des deux mondes : « La structure sandwich étroitement emballée permet une courte distance de déplacement des ions, ce qui rend la résistance ohmique de notre cellule sans membrane comparable à celle d’un électrolyseur PEM. Ensemble. avec la séparation des deux chambres de réaction, cela ouvre des opportunités pour la cellule de travailler à des densités de courant élevées qui sont comparables à celles des PEM.De plus, notre conception d’électrolyseur est très robuste et fonctionne aussi bien dans l’eau déminéralisée que dans le robinet ordinaire l’eau. »

Fonctionnement cyclique

Pour permettre une performance continue, l’électrolyseur fonctionne de manière cyclique où le catalyseur d’électrode est bifonctionnellement actif. Des tests ont révélé qu’il fonctionne aussi bien dans la réaction de réduction de l’eau que dans la réaction d’oxydation de l’eau. Un avantage important ici est qu’aucun métal noble n’est nécessaire. Au lieu de cela, la cellule utilise une version modifiée des catalyseurs dopés à l’azote qui ont été développés précédemment par Yan et le professeur Gadi Rothenberg pour les applications de piles à combustible et de supercondensateurs. Ces matériaux hautement poreux et structurés ont maintenant été utilisés par des doctorants. l’étudiant Jasper Biemolt comme supports pour les alliages fer-cobalt et leurs dérivés de phosphure (voir première image).

Rothenberg explique que l’utilisation de matériaux abondants sur terre est la clé des applications réelles : « Pour être compétitif sur le marché, le coût de l’hydrogène vert devrait être inférieur à 2 euros par kilogramme. Cela signifie que la production commerciale à grande échelle d’hydrogène doit trouver des solutions alternatives. En concevant des électrolyseurs avec de nouvelles configurations et en utilisant des catalyseurs basés sur des éléments abondants, nous créons la possibilité d’une mise en œuvre réelle. « 

Yan et Rothenberg sont conscients que la mise à l’échelle de cette technologie cellulaire nécessite beaucoup plus de travail futur. La collaboration conjointe se poursuivra pour aborder diverses questions fondamentales et applicatives telles qu’une analyse technico-économique et le comportement dynamique des électrodes de travail et auxiliaires dans l’électrolyte de l’eau du robinet.


Les scientifiques identifient de nouveaux catalyseurs pour une séparation plus efficace de l’eau


Plus d’information:
Xiaoyu Yan et al, Un électrolyseur à flux sans membrane fonctionnant à une densité de courant élevée utilisant des catalyseurs abondants en terre pour la division de l’eau, Communication Nature (2021). DOI : 10.1038/s41467-021-24284-5

Fourni par l’Université d’Amsterdam

Citation: Des chimistes développent un nouvel électrolyseur pour la production d’hydrogène (2021, 15 juillet) récupéré le 15 juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-chemists-electrolyser-hydrogen-production.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.