Les catalyseurs à base de fer rendent les piles à combustible à hydrogène pratiques

Piles à combustible à hydrogène : les catalyseurs au fer comme alternative au platine

L’hydrogène pourrait, en théorie, être le carburant parfait pour un avenir vert : il peut être produit à partir d’électricité renouvelable, ne produit aucun polluant lorsqu’il est consommé et ne nécessite que de l’eau comme matériau pour sa production.

Cependant, produire de l'hydrogène à un coût suffisamment bas s'est avéré difficile. Des systèmes alternatifs, comme coproduction d'eau douce en même temps, nouveaux catalyseurs à hydrogène ne nécessitant pas de métaux précieux, ou photocatalyse, sont en cours d’exploration.

Une autre étape qui réduit la viabilité commerciale de l'hydrogène se situe au stade de la consommation. Lorsqu'il n'est pas utilisé dans un moteur à combustion (similaire à un moteur à essence, mais avec un rendement moindre), on utilise des piles à combustible, qui nécessitent généralement du platine coûteux comme catalyseur.

Non seulement cela rend les piles à combustible plus chères, mais cela pourrait également entraver l’adoption massive de l’hydrogène comme carburant, car le platine et les métaux associés comme le palladium sont très rares sur Terre, ce qui rend difficile une augmentation de leur production.

Heureusement, des alternatives apparaissent, grâce au travail de scientifiques chinois dans de nombreuses institutions de recherche de premier plan du pays : l’Académie chinoise des sciences, l’Université de Shenzhen (Chine), l’Université du Sud-Est (Chine), l’Université Tsinghua, l’Université de technologie chimique de Pékin, l’Université de la ville de Hong Kong et l’Université de Xiamen.

Ils ont publié¹ la découverte d'un nouveau catalyseur à base de fer pour piles à combustible dans la prestigieuse revue scientifique Nature, sous le titre «Réduction de l'oxygène acide par des catalyseurs à un seul atome de fer sur des supports courbes ».

Comment fonctionnent les piles à combustible

Les éléments des piles à combustible qui génèrent de l’électricité à partir de la consommation d’hydrogène sont les membranes échangeuses de protons (PEM).

Les piles à combustible fonctionnent en catalysant la conversion de l'hydrogène (H₂) en protons (ions H+) + électrons, créant un courant électrique. Comme mentionné précédemment, ce catalyseur est traditionnellement du platine, un métal coûteux.

Source: Wikipédia

Au lieu de cela, les scientifiques chinois ont créé une nouvelle conception de catalyseur, décrite comme « activation interne, protection externe », qui s’appuie sur du fer simple comme catalyseur.

Catalyseurs d'hydrogène à base de fer

Les défis des catalyseurs au fer dans les piles à combustible

L’idée d’utiliser un catalyseur en fer, naturellement capable de capturer l’oxygène (une tendance que nous appelons communément « rouille ») et de le lier aux ions hydrogène, n’est pas nouvelle.

Mais jusqu'à présent, cette réaction a été entravée par des réactions chimiques indésirables, notamment la forte adsorption d'intermédiaires réactionnels oxygénés et la démétallisation des atomes de fer. Ainsi, soit les atomes de fer se retrouvent bloqués par des composés riches en oxygène, soit ils deviennent incapables de jouer leur rôle de catalyseur.

Afin d’arrêter ces réactions indésirables, les chercheurs ont créé une nanostructure unique pour le catalyseur au fer.

Catalyseurs de fer creux nanostructurés

Les catalyseurs à base de fer traditionnels reposent sur une surface extérieure de supports en graphène ou en carbone, limitant la quantité de fer accessible pour les réactions souhaitées avec l'hydrogène.

Au lieu de cela, la méthode utilisée consistait à créer une surface intérieure incurvée avec un site catalyseur à base de fer à un seul atome.

Chacun de ces sites est situé dans une structure multicoque creuse nanoconfinée (HoMS). Ces nano HoMS sont réparties et liées à une couche de carbone 2D, similaire au graphène.

Source: researchgate

Les nanoparticules creuses mesurent environ 10 nm × D'une taille de 4 nm, ils sont constitués de multiples couches où les atomes de fer sont concentrés sur les couches internes à haute densité. La spectroscopie d'absorption des rayons X synchrotron a révélé que ces atomes de fer internes sont à un taux de 57.9 % dans un état catalytiquement actif.

Source: researchgate

Gains de performance avec les catalyseurs au fer

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La nanostructure affaiblit la force de liaison des intermédiaires de réaction oxygénés, supprimant ainsi une limitation majeure des catalyseurs à base de fer.

Source: researchgate

Il réduit également le taux de production de radicaux hydroxyles (•OH), une molécule très réactive et nocive qui constitue toujours un problème potentiel dans les réactions oxygène-hydrogène.

Le résultat final est une pile à combustible utilisant des catalyseurs en fer qui est radicalement supérieure aux autres conceptions, à la fois en termes de densité de puissance de crête et de densité de courant (étoiles rouges ci-dessous), avec une densité de puissance record de 0.75 W cm−2 sous 1.0 bar H2–air.

Source: researchgate

Cette conception de catalyseur est également beaucoup plus durable que l'itération précédente de catalyseurs à base de fer, conservant une efficacité de 86 % après plus de 300 heures de fonctionnement.

Source: researchgate

Conclusion

Une économie de l’hydrogène ne sera possible que lorsque les considérations économiques auront été résolues, avec des catalyseurs faciles à produire, s’appuyant sur des matériaux abondants et bon marché.

Dans ce contexte, le fer, étant l’un des métaux les plus produits et les moins chers de la planète, serait un candidat idéal.

Cela signifie également que la dégradation relativement rapide de l'efficacité au fil du temps (qui pourrait probablement encore être améliorée par rapport à cette première conception expérimentale) serait moins problématique, et la partie catalyseur de la pile à combustible pourrait simplement être remplacée régulièrement par une nouvelle, celle utilisée étant recyclée ou régénérée à ses performances d'origine.

Investir dans la technologie des piles à combustible

Plug Power Inc.

Plug Power est un leader de l'hydrogène vert, spécialisé dans les piles à combustible. L'entreprise compte plus de 72,000 300 piles à combustible installées sur plus de 40,000 sites, avec une présence importante dans les flottes de manutention. Ses piles à combustible alimentent notamment plus de 8 2013 chariots élévateurs et son chiffre d'affaires a été multiplié par huit depuis XNUMX.

Elle est également active dans la construction d’infrastructures d’hydrogène, comme la production d’hydrogène, la logistique, la production d’électricité à grande échelle et les livraisons.

Source: Puissance de prise

L'entreprise vise une croissance à grande échelle pour réduire les coûts de production d'hydrogène de 10 $/kg à 4 $/kg, tout en multipliant la production par 14 en 2027. Elle devrait également remplacer tout l'hydrogène d'origine externe, qui était souvent revendu aux clients à perte.

En raison des investissements massifs visant à multiplier par 19 sa capacité de production depuis 2020, l'entreprise n'est pas encore rentable, mais les progrès réalisés dans l'approvisionnement de son propre hydrogène devraient changer cela.

L'entreprise considère ses solutions soit comme un carburant de mobilité directe, soit comme un complément aux véhicules électriques, car l'hydrogène permet de réduire la pression sur le réseau pendant les heures de pointe de charge des véhicules électriques, qui ne correspondent pas aux périodes de production d'énergies renouvelables pendant la journée.

Source: Puissance de prise

En tant que producteur majeur de piles à combustible, Plug Power bénéficierait grandement d'une transition vers une économie basée sur l'hydrogène. Un catalyseur de pile à combustible moins coûteux pourrait être intégré à ses conceptions et accélérer l'adoption des véhicules à hydrogène et du stockage d'énergie à l'échelle du réseau.

Cela fait donc de Plug Power une bonne valeur sur laquelle miser pour se tourner vers l’hydrogène en général, avec une croissance de la demande pour ses piles à combustible à chaque fois qu’une méthode moins chère pour produire, stocker, transporter ou utiliser l’hydrogène est inventée.

Actualités et développements récents concernant l'action Plug Power Inc (PLUG)

Étude référencée

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Réduction de l'oxygène acide par des catalyseurs à un seul atome de fer sur des supports courbes. Nature 644, 668 – 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}