Comment les nanomatériaux à base d'iridium contribuent-ils à un avenir plus vert ?

Le Metrohm Poster Award a été initialement introduit il y a 29 ans lors de la Conférence pour la chimie électroanalytique (ELACH) et est devenu une tradition de longue date. L'édition la plus récente de ce prix a été décernée à deux lauréats lors d'Electrochemistry 2022 à Berlin, en Allemagne. La conférence, dont le thème était "À l'interface entre la chimie et la physique", a attiré plus de 600 scientifiques spécialisés dans diverses disciplines de l'électrochimie. Electrochemistry 2022 a servi de plateforme post-pandémique aux participants pour explorer les tendances et les applications de pointe, et pour partager les avancées dans des domaines vitaux tels que la technologie des capteurs, le stockage de l'énergie, la réduction du CO2, la photoélectrochimie, la bioélectrochimie, l'électrosynthèse, la corrosion, l'analyse électrochimique et l'électrocatalyse.

Les lauréats du Metrohm Poster Award 2022

Plus de 300 présentations de posters ont eu lieu, et le comité des posters (membres du panel scientifique) a soigneusement choisi les deux meilleures. Les lauréats ont ensuite été récompensés par un prix de 500 euros chacun à la cérémonie de remise des prix.

Les recherches de Marko Malinović sont présentées dans cet article. Son poster était intitulé : "Size controlled synthesis of crystalline IrO2 nanoparticles for oxygen evolution reaction in acidic environment" (Synthèse à taille contrôlée de nanoparticules d'IrO2 cristallines pour la réaction d'évolution de l'oxygène en milieu acide).

CO₂, le changement climatique et les voitures

La mise en œuvre de stratégies visant à atténuer le changement climatique est de la plus haute importance. Les conséquences des émissions excessives de CO2 et de leur influence sur les climats régionaux se font déjà sentir, entraînant une augmentation de la fréquence des catastrophes naturelles et des pertes humaines inévitables.

La forte dépendance du secteur des transports à l'égard des combustibles fossiles a généré 37 % des émissions totales de CO2 en 2021. [1]. Malgré le nombre croissant de voitures électriques sur les routes, d'autres solutions technologiques respectueuses de l'environnement sont nécessaires pour relever le défi de la réduction des émissions de CO2.

Récemment, les voitures à hydrogène ont fait l'objet d'une plus grande attention en tant que solution partielle. Cette catégorie de véhicules est basée sur la technologie des piles à combustible où l'hydrogène (en réaction avec l'oxygène) génère l'électricité nécessaire pour alimenter le véhicule, avec seulement de l'eau et de la chaleur comme produits secondaires. Même si cela semble idéal, l'hydrogène ne peut être considéré comme neutre sur le plan climatique que s'il est produit à partir de sources d'énergie renouvelables. En 2020, un total de 57 TWh d'hydrogène a été produit en Allemagne, dont un tiers provient du reformage à la vapeur de combustibles fossiles, et est donc directement lié à des émissions élevées de CO2. [2]. La part mondiale de l'hydrogène dérivé de sources d'énergie renouvelables, connu sous le nom de «hydrogène vert» moins de 1 %, ce qui indique de manière alarmante les domaines sur lesquels il faut se concentrer pour avoir un impact.

Électrolyse de l'eau

La solution proposée pour éviter les émissions excessives de CO2 lors de la production d'hydrogène est le fractionnement électrochimique de l'eau. L'énergie électrique nécessaire à la réaction endothermique du fractionnement de l'eau provient de sources renouvelables, ce qui permet de produire de l'hydrogène vert.

Parmi les différentes technologies d'électrolyse disponibles pour la production à l'échelle industrielle, les électrolyseurs d'eau alcaline et les électrolyseurs d'eau à membrane électrolytique polymère (PEM) sont les plus couramment utilisés. Ces derniers fournissent une densité de courant jusqu'à quatre fois supérieure et s'adaptent mieux à l'apport électrique parfois imprévisible des sources d'énergie renouvelables. [3]. Par rapport à l'augmentation réelle du prix des combustibles fossiles, l'hydrogène vert est devenu tout à fait compétitif et, dans certaines parties du monde, il est même moins cher que l'hydrogène dérivé de sources de combustibles fossiles.

La question qui se pose est la suivante : qu'est-ce qui empêche cette technologie d'occuper une plus grande place dans la production mondiale d'hydrogène ? Qu'est-ce qui empêche cette technologie d'occuper une plus grande place dans la production mondiale d'hydrogène ?

L'hydrogène vert peut-il décarboniser le secteur de la mobilité à l'avenir ?

Pour répondre à cette question, nous nous concentrerons sur les électrolyseurs d'eau PEM (PEM-WE). Ces électrolyseurs peuvent fonctionner dans des conditions dynamiques, ce qui permet de les coupler à des sources d'énergie renouvelables. En fin de compte, l'électricité excédentaire peut être stockée sous forme d'hydrogène.

Pour ce faire, deux réactions électrochimiques doivent avoir lieu dans la cellule PEM. À l'anode, l'eau est oxydée pour générer de l'oxygène, des électrons et des protons dans la réaction connue sous le nom de réaction d'évolution de l'oxygène (OER). Les protons sont ensuite conduits à travers la membrane et réduits à la cathode pour former de l'hydrogène (Figure 1). 

Bien que l'hydrogène soit le produit souhaité, le goulot d'étranglement de ce processus est la lenteur de l'OER qui influence directement l'efficacité globale de l'électrolyseur d'eau. Des potentiels élevés sont appliqués pour surmonter le problème cinétique de l'OER qui, avec l'effet d'inertie de l'électrolyseur, a un impact négatif sur l'efficacité globale de l'électrolyseur environnement acide provenant d'une membrane électrolytique polymère, crée des conditions plutôt difficiles dans la cellule, ce qui limite le choix des catalyseurs pour cette réaction principalement aux métaux nobles.

Iridium à la rescousse, moyennant finances

Parmi les matériaux étudiés, les catalyseurs à base d'iridium offrent le meilleur compromis entre l'activité catalytique et la durabilité. [4]. Cependant, c'est aussi là que réside le principal problème pour la mise à l'échelle de l'électrolyse de l'eau PEM. La disponibilité de l'iridium est estimée à environ sept tonnes par an, ce qui en fait l'un des métaux les plus rares au monde [5]. Les faibles quantités d'iridium disponibles, ainsi que les tendances volatiles de l'offre et de la demande et les facteurs de force majeure liés aux principaux sites miniers, se reflètent dans son prix qui est monté en flèche en 2023 pour atteindre environ 150 000 € par kg (en baisse par rapport à un point haut de 172 200 € par kg à la fin d'avril 2022). [6].

Compte tenu du coût élevé et imprévisible de l'iridium et de sa disponibilité, un défi scientifique majeur consiste à trouver un moyen de réduire la charge du catalyseur à base d'iridium utilisé dans les PEM-WE tout en maintenant des performances et une durabilité élevées. De manière intrigante, Bernt [7] a calculé que pour décarboniser le secteur des transports d'ici 2100 en utilisant des véhicules à hydrogène, la densité de puissance spécifique de l'iridium doit être réduite d'un facteur 50 par rapport à la situation actuelle.

Nanomatériaux pour la conversion énergétique durable

La gravité de ce défi est le moteur de la recherche menée par Marko Malinović au sein du groupe de travail sur le développement durable Prof. Dr. Marc Ledendecker. La conception d'un catalyseur efficace et durable à base d'iridium avec une quantité réduite de métal noble n'est pas une tâche triviale. De nombreuses conceptions de catalyseurs (Figure 1) sont rapportés dans la littérature pour relever ce défi, comprenant de l'iridium métallique nu, des oxydes métalliques, des oxydes métalliques mixtes, des structures cœur-coquille, des oxydes lixiviés et des matériaux nanostructurés. [8]. Les recherches de M. Marko se concentrent sur les matériaux à base d'oxyde d'iridium, car ils peuvent potentiellement offrir une conductivité semblable à celle des métaux, mais aussi une durabilité accrue par rapport à leurs homologues métalliques.

Pour garantir une utilisation maximale du catalyseur, la recherche de Marko vise à synthétiser des nanomatériaux qui possèdent des rapports surface-volume élevés, car seule la surface du catalyseur participe activement à la catalyse. Même si l'oxyde d'iridium amorphe (IrO2) est bien connu pour son activité supérieure vis-à-vis de l'OER, sa durabilité n'est toujours pas suffisante pour garantir des durées de fonctionnement plus longues [9]. L'oxyde d'iridium cristallin obtenu à des températures ≥400 °C a une influence positive sur la stabilité du catalyseur [10]. Toutefois, les températures de calcination élevées entraînent inévitablement une diminution de la surface catalytiquement active.

La nouvelle voie de synthèse développée par le groupe de recherche de Ledendecker permet de synthétiser des nanoparticules d'IrO2 dont la taille et la morphologie sont préservées, même après un traitement thermique à haute température. [11]. Ce qui rend cette méthode unique, c'est que l'amélioration de la durabilité ne se fait pas au détriment de la surface catalytiquement active. Ainsi, l'objectif premier d'une utilisation maximale du catalyseur est assuré.

Les prochaines étapes

Une réduction supplémentaire de la quantité de ce précieux métal noble est nécessaire. Cela pourrait être assuré par l'introduction d'un matériau abondant en terre comme matériau de base qui est ensuite recouvert d'une fine couche d'IrO2, créant ainsi une structure connue sous le nom de "core-shell" (noyau-coquille) (Figure 1) [12].

Le choix du bon matériau de base peut avoir un impact crucial sur les propriétés électrochimiques finales de la coquille active d'oxyde d'iridium. Outre la compatibilité thermodynamique entre le matériau du noyau et celui de la coquille, les principales conditions préalables que les matériaux du noyau doivent remplir pour être pris en considération sont leur conductivité métallique et leur résistance à la corrosion en milieu acide [13]. Sachant que la résistance à la corrosion des métaux non nobles dans les conditions de fonctionnement de la PEM-WE est discutable, cette tâche est d'une importance majeure et fera l'objet d'une attention particulière dans les futurs plans de recherche de Marko.