Libérer la production efficace d'hydrogène pour une énergie propre

La croissance continue de la population et de l’économie mondiales a entraîné une augmentation significative de la demande énergétique, dont environ 80 % est rencontré par les combustibles fossiles. Ces ressources non seulement diminuent considérablement, mais sont également responsables d'une augmentation considérable gaz à effet de serre (GES) dans l'environnement.

En conséquence, l’accent est désormais mis de plus en plus sur les sources d’énergie renouvelables, comme le soleil, le vent, l'eau, la matière organique et la Terre chaleur.

Issues de ressources naturelles auto-renouvelables, les énergies renouvelables sont essentielles à la construction de systèmes énergétiques propres et durables. Cependant, elles sont confrontées à de nombreux défis, notamment une disponibilité irrégulière, des coûts initiaux élevés, des contraintes géographiques et des besoins en espace importants. 

L' c'est là que l'hydrogène entre en jeu. La demande mondiale d’hydrogène a grimpé à 97 millions de tonnes (Mt) en 2023, en hausse de 2.5 % par rapport à l'année précédente. 

Le rôle de l'hydrogène dans la transition vers une énergie propre

L'élément le plus léger de l'univers, hydrogène, est apparu comme une solution prometteuse pour parvenir à un écosystème énergétique plus durable en raison de sa flexibilité et de sa capacité à stocker une quantité importante d’énergie par rapport à son poids.

Ce n’est pas une source primaire comme le soleil mais une source secondaire, car elle doit be produit à partir d’autres matières premières telles que l’eau, le gaz naturel ou la biomasse.

Lorsqu’il est produit à partir de combustibles fossiles tels que le gaz naturel (qui est actuellement la méthode la plus courante), l’hydrogène n’est pas une énergie propre, car il est responsable d’importantes émissions annuelles de CO2.

Cependant, lorsqu’il est utilisé dans une pile à combustible, l’hydrogène ne produit que de la vapeur d’eau comme sous-produit, ce qui en fait un carburant propre.

En tant que vecteur énergétique polyvalent, l'hydrogène peut contribuer à relever plusieurs défis énergétiques majeurs. Il peut favoriser l'intégration des énergies renouvelables au système électrique en stockant l'énergie pendant des semaines, voire des mois.

Hydrogène à faibles émissions produit à partir d’énergie nucléaire ou renouvelable, ou de combustibles fossiles utilisant la capture du carbone, pendant ce temps, peut aider décarboniser une gamme de secteurs. L’industrie lourde et le transport longue distance, où la réduction des émissions est particulièrement difficile, peuvent grandement contribuer à réduire les émissions. en profiter. Cette production d’hydrogène joue cependant encore un rôle marginal, à moins de 1% dans 2023.

L'hydrogène peut en fait être dérivé de différentes technologies. L'une des méthodes les plus efficaces pour produire L'hydrogène durable est obtenu par électrolyse de l'eau. Dans cette électrolyse énergivore, l'électricité est utilisé pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène. La technologie est bien développé et d’une disponible dans le commerce, bien que son efficacité énergétique estimée est d'environ 52 %.

Une autre approche est la plasmolyse, qui a montré le rendement énergétique à égalité avec électrolyse, avec l'ajout avantage d'une consommation d'énergie réduite, d'un coût principal inférieur et d'une taille d'équipement plus petite. Les progrès récents en microfluidique et microplasmas ont rendu la production d’hydrogène par plasmolyse de vapeur d’eau lucrative en termes d’efficacité énergétique.

Autres façons de dériver L’hydrogène pour l’électricité comprend la photocatalyse, le biohydrogène et les processus thermochimiques.

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Bien que la technologie de l’hydrogène soit prometteuse, son utilisation généralisée est loin d’être assurée. utilisé toujours des visages problèmes en termes de production sables moins coûteux, l’efficacité et la durabilité environnementale globale. Cependant, compte tenu du besoin de sources d’énergie plus propres, les chercheurs du monde entier sont constamment à la recherche de solutions ces problèmes avec de nouveaux matériaux et meilleure technologie.

Les innovations de Catalyst améliorent l'efficacité de l'hydrogène

À mesure que les technologies de l’hydrogène progressent du concept à la commercialisation, l’un des principaux défis est couplé à Des matériaux qui rendent ces systèmes efficaces et évolutifs. Pour y parvenir, les scientifiques travaillent sur diverses approches.

Par exemple, une étude du siège de l’Académie chinoise des sciences, publié¹ Ce mois-ci, Nature a présenté un minuscule catalyseur au fer comme alternative au platine dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), avec le potentiel de transformer l'avenir de l'énergie propre.

Les PEMFC sont des dispositifs énergétiques propres qui produisent de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, l'eau étant le seul sous-produit. Cependant, elles dépendent fortement du platine, un catalyseur rare et coûteux. Donc, pour aider avec Suite à leur adoption généralisée, les chercheurs ont développé un catalyseur à base de fer haute performance pour ces piles à combustible.

Grâce à sa conception intelligente « activation interne, protection externe », le nouveau catalyseur peut atteindre d’excellentes performances tout en réduisant les sous-produits nocifs.

Bien que les catalyseurs Fe/N–C soient parmi les alternatives les plus prometteuses aux catalyseurs métalliques du groupe du platine, leur activité et leur durabilité ne peuvent pas répondre aux critères de performance. Ainsi, le l'équipe a conçu et développé un nouveau type de catalyseur Fe/N–C LES PLANTES de nombreuses nanoprotrusions réparties sur des couches de carbone 2D avec des sites d'atomes de Fe uniques intégrés dans la surface incurvée interne des nanoprotrusions. 

En conséquence, le nouveau catalyseur a pu offrir « l’une des meilleures performances » des PEMFC sans métal du groupe du platine, avec une rétention d’activité de 86 % même après plus de 300 heures de fonctionnement continu.

Une autre technologie clé pour produire de l’hydrogène de manière climatiquement neutre grâce à l’électrolyse de l’eau est l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (PEM-WE).

Afin d'accélérer la réaction souhaitée, des électrodes sont enduits avec des électrocatalyseurs spéciaux. Pour l'anode, des catalyseurs à base d'iridium sont couramment utilisés, notamment pour la réaction de dégagement d'oxygène acide (OER).

L'OER est l'étape de production d'oxygène du procédé de séparation de l'eau qui génère de l'hydrogène propre, mais elle reste complexe et inefficace. Cette réaction est particulièrement efficace lorsqu'elle utilise des catalyseurs à base d'iridium.

Découvert en 1803, l'iridium n'existe pas sous forme pure dans la nature mais est récupéré commercialement en tant que sous-produit de la production de platine, de palladium, de nickel ou de cuivre. 

L'iridium est un métal dense et dur qui reste insensible à l'air, à l'eau et aux acides. En raison de ces propriétés, il is d'utiliser dans les bougies d’allumage, les équipements scientifiques, les catalyseurs, les encres conductrices pour l’électronique et le traitement du cancer.

Le métal est rarement utilisé sous forme pure en raison des difficultés de préparation et de fabrication ; plutôt, Il est utilisé sous forme d'alliages de platine.

L'iridium (Ir) est un métal de grande valeur et l'un des éléments naturels les plus rares de la croûte terrestre. Les minerais contenant de l'iridium sont trouvés en Afrique du Sud, aux États-Unis (Alaska), au Brésil, en Russie, au Myanmar et en Australie.

Sa rareté, combinée à ces forte demande des industries comme l'électronique, le rend très cher. L’iridium a en réalité plus de valeur que l’or, coûtant près de 5,000 XNUMX $ l’once.

So, il est logique que les scientifiques sont constamment à la recherche de de nouveaux métaux pour remplacer l'iridium afin de aider à l’adoption à grande échelle des PEMWE. La découverte d’alternatives non-Ir n’est cependant pas simple et reste lente en raison du vaste espace de conception impliqué.

Il y a quelques mois, selon une étude² de l'Institut avancé de recherche sur les matériaux (AIMR) de l'Université de Tohoku a détaillé un nouveau catalyseur à cristaux poreux comme solution efficace et durable pour la production d'hydrogène propre par électrolyse de l'eau. 

Le matériau de cette étude est du Co3O4 monocristallin mésoporeux dopé avec de l'iridium dispersé atomiquement pour l'OER acide.

La structure spinelle mésoporeuse joue un rôle essentiel, car elle permet une charge élevée en Ir (13.8 % en poids) sans formation de gros amas d'iridium. Outre l'espace disponible pour la charge en Ir, cette architecture contribue également à créer un environnement stable.

Le catalyseur a maintenu ses performances pendant plus de 100 heures avec seulement 248 mV de surtension (η₁₀).

Dans une autre étude récente, les chercheurs ont créé une « mégabibliothèque » pour explorer l’activité catalytique de millions de nanostructures distinctes composées de quelques métaux clés, aidant à rechercher des alternatives aux catalyseurs Ir pour les REL à grande échelle et à grande vitesse.

Cliquez ici pour découvrir comment les catalyseurs non nobles ouvrent la voie à un hydrogène abordable.

Découverte rapide de catalyseurs grâce à la nanotechnologie

La dernière étude³ a en effet trouvé un nouveau catalyseur pour la production de carburant à base d’hydrogène qui est à la fois rentable et économe en énergie.

Publiée ce mois-ci dans le Journal of the American Chemical Society (JACS), la découverte du catalyseur a été faite en utilisant une nouvelle mégabibliothèque de nanoparticules, et elle égale ou surpasse les performances d'Iridium en production de carburant à hydrogène, à une fraction du coût.

Pour longtemps maintenant, les chercheurs ont été à la recherche de alternatives à l'Iridium. Mais est ce que nous faisons a Des décennies ont été découvertes en un seul après-midi grâce au puissant nouvel outil développé par des scientifiques de l'Université Northwestern.

Cet outil nouvellement inventé est appelé mégabibliothèque, la première « usine à données » au monde sur les nanomatériaux. Chacune de ces bibliothèques contient des millions de nanoparticules distinctes sur une minuscule puce.

La technologie a ensuite été utilisée, en collaboration avec des chercheurs du Toyota Research Institute (TRI), pour trouver des catalyseurs commercialement pertinents pour la production d’hydrogène. Le matériau a ensuite été mis à l'échelle up, et démontré qu'il fonctionne dans un appareil. Tout cela a été fait en un temps record.

Pour découvrir de nouveaux catalyseurs, les chercheurs d'utiliser quatre bon marché, métaux abondants, qui sont tous connus pour leurs performances catalytiques. Ces métaux sont :

1. Cobalt (CO)
2. Chrome (CR)
3. Manganèse (MN)
4. Ruthénium (Ru)

La mégabibliothèque a ensuite été utilisé de cribler rapidement de vastes combinaisons de ces métaux pour trouver un nouveau matériau dont les performances peuvent égaler celles de l'iridium.

L'équipe a découvert un nouveau matériau comparable aux matériaux commerciaux à base d'iridium en termes de performances en laboratoire. Dans certains cas, ses performances étaient même supérieures à celles-ci, pour une fraction du coût.

Cette découverte pourrait l'éventualité rendre l’hydrogène vert abordable.

De plus, le nouveau matériel démontre l’efficacité de l’approche de la mégabibliothèque, qui peut modifier la façon dont les chercheurs découvrent de nouveaux matériaux pour diverses applications. applications.

Selon l'auteur principal de l'étude, Chad A. Mirkin, qui est le principal inventeur de la plateforme de mégabibliothèque et celui qui a réellement introduit les mégabibliothèques il y a environ dix ans, en 2016 :

« Nous avons mis au point l'outil de synthèse sans doute le plus puissant au monde, qui permet de rechercher parmi le nombre considérable de combinaisons disponibles pour les chimistes et les scientifiques des matériaux les matériaux qui comptent. »

Dans le projet de mégabibliothèque, l’équipe « a canalisé cette capacité vers un problème majeur auquel est confronté le secteur de l’énergie ». Le problème, comme l'a souligné Mirkin, pionnier de la nanotechnologie, était le suivant :

Comment trouver un matériau aussi performant que l'iridium, mais plus abondant, plus accessible et beaucoup moins cher ? Ce nouvel outil nous a permis de trouver rapidement une alternative prometteuse.

Mirkin est professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de génie chimique et biologique, de génie biomédical et de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering. 

L’hydrogène vert est un besoin crucial du monde, mais il est contraint par sa dépendance à l’un des matériaux les plus rares pour fonctionner.

« Il n’y a pas assez d’iridium dans le monde pour répondre à tous nos besoins prévus. »

– Ted Sargent, professeur de chimie à Weinberg et professeur de génie électrique et informatique à McCormick

Sargent et Mirkin ont travaillé ensemble sur le projet.

« Alors que nous réfléchissons à la possibilité de décomposer l’eau pour générer des formes d’énergie alternatives, il n’y a pas assez d’iridium d’un point de vue purement approvisionnement. »

– Sergent

La découverte de nouveaux candidats pour remplacer ce métal a constitué l'application idéale pour ce nouvel outil, capable de révolutionner le processus traditionnel, lent et complexe, de découverte de matériaux. Contrairement à la méthode traditionnelle par essais et erreurs, les nouvelles mégabibliothèques permettent d'identifier rapidement les compositions optimales.

Chaque mégabibliothèque a été créée à partir de centaines de milliers de minuscules pointes pyramidales permettant d'imprimer des « points » individuels sur une surface. Chaque point est constitué d'un mélange soigneusement conçu de sels métalliques qui, une fois chauffés, sont réduits pour former des nanoparticules uniques, chacune ayant une taille et une composition précises.

Selon Mirkin :

« Vous pouvez considérer chaque pointe comme une petite personne dans un petit laboratoire. Au lieu d'en avoir un minuscule personne faire un structure à la fois, vous avez des millions de personnes. « Donc, vous avez en gros une armée complète de chercheurs déployés sur une puce. »

Au total, la puce contenait 156 millions de particules, chacune formée de différentes combinaisons de Co, Cr, Mn et Ru. Un robot scanner a ensuite analysé juste dans quelle mesure ils peuvent réaliser une réaction d'évolution de l'oxygène (OER). 

Cette capacité à filtrer les particules pour déterminer leurs performances ultimes constitue une innovation majeure.

« Pour la première fois, nous avons non seulement pu sélectionner rapidement des catalyseurs, mais nous avons également constaté que les meilleurs d'entre eux fonctionnaient bien à grande échelle. »

– Joseph Montoya, co-auteur de l’étude et chercheur principal au TRI

Sur la base de l’évaluation, les chercheurs ont sélectionné 40 le plus performant candidats, allant d'une activité faible à élevée, pour des tests plus approfondis en laboratoire. Les oxydes RuCoMnCr ont été mis à l'échelle à des niveaux de milligrammes avant d'être étudiés pour leurs performances catalytiques.

Une composition s'est démarquée en fin. Cette combinaison précise des quatre métaux était : l'oxyde Ru52Co33Mn9Cr6.

Ainsi, le l'équipe a pu obtenez un catalyseur multi-métaux, qui est actually connu pour être plus actif que ses homologues monométalliques.

« Notre catalyseur présente en réalité une activité légèrement supérieure à celle de l'iridium et une excellente stabilité », a déclaré Mirkin. « C'est rare, car le ruthénium est souvent moins stable. Mais les autres éléments de la composition stabilisent le ruthénium. »

Le catalyseur a généré une tension de 1.58 V à 1 A/cm2 et de 1.77 V à 3 A/cm2.

En ce qui concerne les performances à long terme, ce nouveau catalyseur a fonctionné pendant plus de 1,000 XNUMX heures avec une efficacité élevée et une stabilité remarquable dans un environnement acide difficile, tout en coûtant à propos un seizième de Iridium.

« Il reste encore beaucoup de travail à faire pour rendre cela commercialement viable, mais il est très encourageant de pouvoir identifier des catalyseurs prometteurs si rapidement, non seulement à l'échelle du laboratoire, mais aussi pour les appareils. »

– Montoya

Dans le cadre de la recherche d’un nouveau catalyseur, l’équipe a créé des ensembles de données de matériaux massifs de haute qualité, qui peuvent ouvrir la voie à l’apprentissage automatique et à l’IA pour concevoir la prochaine génération de nouveaux matériaux.

TRI, Northwestern et sa société dérivée Mattiq ont déjà développé un algorithme permettant de rechercher dans les mégabibliothèques à une vitesse vertigineuse. 

Mais ce n'est qu'un début. Comme pour l'IA, l'approche des mégabibliothèques peut aller au-delà de la simple découverte accélérée de catalyseurs pour la conversion d'énergie et transformer la découverte de matériaux pour presque toutes les technologies, telles que les composants optiques avancés, les dispositifs biomédicaux, les batteries, etc.

« Nous allons chercher toutes sortes de matériaux pour les batteries, la fusion, et plus encore », a déclaré Mirkin. « Le monde n'utilise pas les meilleurs matériaux pour répondre à ses besoins. Les gens ont trouvé les meilleurs matériaux à un moment donné, grâce aux outils à leur disposition. Le problème, c'est que nous disposons désormais d'une infrastructure gigantesque construite autour de ces matériaux, et nous sommes coincés avec eux. Nous voulons renverser la situation. Il est temps de trouver véritablement les meilleurs matériaux pour chaque besoin, sans compromis. »

Investir dans la puissance de l'hydrogène

Bloom Energy Corporation (BE + 3.93%) est engagée dans la production d'électricité à partir de piles à combustible stationnaires. It offre aux deux produits commercialement: l'électrolyseur Bloom pour la production d'hydrogène et le serveur d'énergie Bloom pour la production d'électricité.

L'entreprise produit de l'hydrogène à partir du plus grand électrolyseur dans le monde, lequel est installé au centre de recherche Ames de la NASA, générer environ 25 % d'hydrogène en plus par mégawatt que les électrolyseurs commerciaux comme PEM ou alcalin.

Jusqu’à présent, Bloom Energy a déployé 1.5 GW d’énergie à faible émission de carbone dans plus de 1,200 XNUMX installations dans le monde.

Avec une capitalisation boursière de 12.38 milliards de dollars, les actions BE se négocient à 53.15 dollars, en hausse de 138.36 % depuis le début de l'année. Récemment, les actions de la société ont dépassé les 55 $ pour atteindre de nouveaux sommets grâce à l'intérêt accru des hyperscalers et des données centres. Aussi, RETOUR en juillet, la société a conclu un accord historique avec Oracle et a laissé entendre plus de telles transactions à l’avenir.

Son BPA (TTM) est de 0.11 et son P/E (TTM) est de 495.23.

En ce qui concerne les finances, jeLe groupe a enregistré une hausse de son chiffre d'affaires de 19.5 % en glissement annuel, atteignant 401.2 millions de dollars au deuxième trimestre clos le 30 juin 2025. La marge brute pour la période s'est élevée à 26.7 % et la marge brute non conforme aux PCGR à 28.2 %. La perte d'exploitation s'est élevée à 3.5 millions de dollars et le résultat d'exploitation non conforme aux PCGR à 28.6 millions de dollars.

Alors que l'alimentation sur site devient de plus en plus évidente, compte tenu de la croissance rapide de l'IA, les produits Bloom n'ont jamais connu un tel attrait sur le marché. Contrairement aux autres solutions, nos produits sont spécialement conçus pour la révolution numérique.

– Fondateur et PDG KR Sridhar

Dernières nouvelles de Bloom Energy Corp (BE) Actualités et développements boursiers

Conclusion

L'élément le plus simple et le plus abondant de l'univers, l'hydrogène, promet une voie vers Un avenir plus vert. Cet élément a, après tout, le potentiel de combler l'intermittence des énergies renouvelables et de décarboner les secteurs difficiles à réduire. Mais concrétiser cette promesse nécessite des investissements, de l'innovation et une collaboration intersectorielle.

Les dernières avancées en matière de catalyseurs et d’électrolyse peuvent contribuer à accroître l’efficacité de la production d’hydrogène, accélérant ainsi la transition vers une économie énergétique durable.

Références:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Réduction de l'oxygène acide par des catalyseurs Fe à un seul atome sur des supports courbes. Nature, 644, 668–675, publié le 13 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2.  Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Particules monocristallines mésoporeuses comme catalyseurs robustes et efficaces d'évolution de l'oxygène acide. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, publié le 8 avril 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, XY., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, PT, Kulaksizoglu, A., McCormick, CR, Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, SB, Montoya, JH, Wu, G., Sargent, EH, Mirkin, Californie Accélérer le rythme de la découverte de catalyseurs de réaction d'évolution de l'oxygène grâce aux mégabibliothèques. Journal de l'American Chemical Society, 147(34), publié le 19 août 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326