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Filière hydrogène : un matériau capable de catalyser sans platine

L'utilisation de l'hydrogène comme vecteur d'énergie est une solution séduisante. Pour autant, cette filière hydrogène ne peut se développer qu'avec la maîtrise de deux étapes clés : la production d'hydrogène en grande quantité par électrolyse de l'eau dans des dispositifs appelés électrolyseurs et l'utilisation de l'hydrogène dans des piles à combustible pour fournir de l'énergie par une réaction d'oxydation de cet hydrogène. Aujourd'hui, ces processus nécessitent l'utilisation de platine comme catalyseur, qui permet d'accélérer la réaction chimique. Le problème est que ce métal est extrêmement rare sur la planète, de l'ordre de 5 ppm, une abondance équivalente à celle de l'or. Aussi est-il très coûteux. D'où l'impérieuse nécessité de s'affranchir du platine.

Les recherches qui sont menées aujourd'hui pour substituer au platine des métaux abondants sur Terre et à bas coût s'inspirent des processus chimiques existants chez certains organismes vivants. Ceux-ci disposent en effet d'étonnants systèmes enzymatiques, appelés "hydrogénases", qui n'utilisent que des métaux abondants comme le fer et le nickel, et leur permettent d'utiliser l'hydrogène comme source énergétique ou de le produire à partir de l'eau. Ces enzymes représentent une véritable source d'inspiration pour le chimiste qui synthétise des composées à base de nickel et de fer, analogues structuraux des hydrogénases, et élabore ainsi de nouveaux catalyseurs. Aussi parle-t-on de chimie bio-inspirée. Reste que pour être utilisables dans des dispositifs technologiques, ces catalyseurs synthétiques doivent, tout comme le platine, être fixés en très grande quantité sur des électrodes. Raison pour laquelle il faut disposer d'une surface importante, ce que n'offrent pas les matériaux classiques. Or du fait de leur géométrie, qui permet d'augmenter considérablement la surface potentielle de liaison du catalyseur, et leur grande conductivité électrique, les nanotubes de carbone représentent une solution pour contourner cette difficulté.

C'est dans ce contexte que des chercheurs de différents laboratoires du CEA sont parvenus à immobiliser un de ces catalyseurs bio-inspirés, à base de nickel, via un greffage par liaison covalente, sur des nanotubes de carbone. Le matériau ainsi obtenu présente une activité catalytique prometteuse, à la fois pour la production et l'utilisation de l'hydrogène. De plus, il se révèle extrêmement stable et capable de fonctionner en milieu très acide, ce qui lui permet d'être compatible avec les membranes échangeuses de protons, utilisées de manière quasi-universelle dans les piles à combustible fonctionnant à basse température.

BE

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