Catalyseur d'hydrogène sans platine : une avancée technologique majeure dans le domaine des énergies propres

Une transition vers une énergie propre est en cours partout dans le monde, alors que l’aggravation de la crise climatique crée un besoin urgent de décarboner les systèmes énergétiques. 

Contrairement aux combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole, les sources d’énergie propres ne libèrent pas d’énormes quantités de gaz à effet de serre (GES) comme le méthane, le CO2, l’oxyde nitreux ou d’autres polluants lors de leur production, contribuant ainsi à un environnement plus sain.

Il est intéressant de noter que l’énergie propre peut proviennent de sources renouvelables comme le soleil qui sont constamment renouvelés et disponible partout sur la planète ainsi que des sources non renouvelables comme l’énergie nucléaire, qui utilise des ressources finies (uranium).

Par rapport à leurs homologues à base de combustibles fossiles, les sources d’énergie propres ont également des coûts de maintenance et d’exploitation inférieurs, ce qui permet des prix plus stables pour les consommateurs.

Avec cela, l'industrie de l'énergie propre connaît une croissance rapide, avec des investissements dans les technologies propres qui réduisent l'impact environnemental et favorisent la durabilité, atteignant un record de 71 milliards de dollars au troisième trimestre 3, selon Deloitte. 

Maintenant, en ce qui concerne les sources d’énergie propres, voici les plus importantes :

1. Solaire – The sun’s radiation is utilized here by leveraging technologies like photovoltaic (PV) panels that convert sunlight directly into electricity. In 2024, global solar capacity surged significantly, adding a notable 593 GW of solar PV capacity. 
2. Vent – Wind’s kinetic energy is converted into electricity by turbines. Depending on the location of the turbines, it can be of two types: onshore wind power, where wind farms sont situés sur terre et l'énergie éolienne en mer, où les parcs éoliens sont situés en mer.
3. L'eau – L'énergie cinétique de l'eau courante est utilisée pour produire de l'électricité, principalement grâce à des barrages et des turbines. L'hydroélectricité contribue à hauteur d'environ 15% à la production totale d’électricité. 
4. géothermie – Ce type d’énergie est exploité grâce à la chaleur interne de la terre et est obtenu grâce à des centrales géothermiques situées dans des réservoirs souterrains.  
5. Biomasse – Ici, on exploite la matière organique comme les déchets de culture et les résidus forestiers. 
6. Nucléaire  – It is the energy of an atom with power obtained from nuclear fission and nuclear fusion. As per Deloitte’s power and utilities survey, advanced nuclear technologies will play the most important role in meeting rising power demand in the next few years.
7. Hydrogène – L'hydrogène est produit à partir de diverses ressources et, lorsqu'il est consommé dans une pile à combustible, il ne produit que de l'eau. Le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a alloué 7 milliards de dollars au développement de pôles hydrogène.

L'hydrogène comme carburant propre et puissant

Le tout premier élément du tableau périodique, l'hydrogène (H), est une substance gazeuse incolore, inodore, insipide, hautement combustible et non toxique. C'est aussi l'élément le plus simple, le plus léger et le plus abondant.

Mais ce qui le rend extrêmement attrayant L'hydrogène, lorsqu'il est brûlé, ne produit que de la vapeur d'eau. Produit notamment à partir d'énergies renouvelables, l'hydrogène vert peut contribuer à la décarbonation de secteurs comme les transports et la production d'électricité.

Face à l’augmentation des besoins énergétiques de la société, l’hydrogène offre une source d’énergie propre et hautement efficace. Vous pouvez l'éventualité être produit de diverses sources. Il s’agit en fait d’un vecteur d’énergie qui peut être utilisé pour déplacer, stocker et distribuer l’énergie produite à partir d’autres sources.

Aujourd'hui, les méthodes les plus courantes pour produire de l'hydrogène carburant sont les suivantes :

1. Processus thermique – Produit à l’aide d’un procédé à haute température appelé reformage à la vapeur, l’hydrogène est généré lorsque la vapeur réagit avec des combustibles hydrocarbonés tels que le gaz naturel, le diesel, le charbon gazéifié, la biomasse gazéifiée et les combustibles liquides renouvelables.
2. Processus électrolytique – L'eau (H₂O) est séparée en oxygène et en hydrogène par un courant électrique. Ce processus se déroule dans un électrolyseur, où l'électricité traverse l'eau, provoquant la séparation des molécules.
3. Processus alimenté par l'énergie solaire – La lumière est utilisée pour produire de l’hydrogène et comprend différentes approches, telles que la photobiologie, la photoélectrochimie et la thermochimie solaire. 
4. Processus biologique – L’hydrogène est produit par des réactions biologiques utilisant des microbes comme les bactéries et les microalgues.

Now, hydrogen has a very high potential to serve society’s clean energy needs, but the problem is that there are still challenges that need to be overcome. These challenges include achieving mass production, transportation, and storage. Also, hydrogen production needs to be stable and inexpensive.

La réaction d'évolution de l'hydrogène (REH) est considérée comme la méthode de production d'hydrogène la plus écologique et la plus durable. Il s'agit d'une réaction cathodique impliquant l'électrolyse de l'eau. 

Dans ce processus électrochimique de séparation de l'eau, des métaux comme le platine, le nickel et d'autres métaux de transition sont utilisés comme catalyseurs qui réduisent les protons en hydrogène gazeux.

Le problème réside ici dans le platine, le métal le plus couramment utilisé pour les catalyseurs. Bien qu'il offre des performances catalytiques très performantes, il est confronté à des problèmes de rareté et de coût. Par conséquent, l'accent est mis de plus en plus sur les catalyseurs alternatifs afin de minimiser la consommation de métaux précieux.

Platinum’s Role in Making Hydrogen Clean

Métal blanc argenté brillant, parfois confondu avec l'argent, le platine (Pt) est essentiel pour atteindre l'objectif de zéro émission nette. Ce métal dense, malléable et brillant est hautement non réactif et résistant à la corrosion, même à haute température.

However, it is an extremely rare metal, over 30 times rare than gold, occurring at a concentration of only 0.005 ppm in Earth’s crust. As a scarce metal, platinum is difficult and costly to mine, which means a more expensive end product.

Le métal est principalement extrait en Afrique du Sud, qui représente plus de 70 % des réserves mondiales de platine, ainsi qu’en Russie, au Zimbabwe, au Canada et aux États-Unis.

En ce qui concerne les cas d'utilisation, le platine est utilisé pour la fabrication de bijoux, mais surtout, il est utilisé dans les composants électroniques et les pots catalytiques afin de réduire les émissions liées au transport. En 2022, environ 85 tonnes de ce métal ont été utilisées uniquement pour les pots catalytiques. Il s'impose également comme un minéral essentiel pour la transition énergétique mondiale. 

Le métal est particulièrement précieux dans les électrolyseurs, qui sont de différents types, mais les développeurs de projets hydrogène privilégient l'électrolyse par membrane échangeuse de protons (PEM). Alternative plus efficace à l'électrolyse alcaline, les électrolyseurs PEM utilisent le platine pour fabriquer des catalyseurs extrêmement performants. 

Le platine est également utilisé dans les piles à combustible PEM, qui fonctionnent comme les électrolyseurs PEM, mais en sens inverse. Au lieu de séparer l'hydrogène et l'oxygène, le platine les combine en utilisant le platine comme catalyseur.

Piles à hydrogène sont faits Il est composé de deux électrodes : une anode (électrode négative) et une cathode (électrode positive), séparées par un électrolyte. Un catalyseur, une couche métallique comme le platine, placé à l'anode, décompose les molécules d'hydrogène en protons et en électrons, qui se déplacent vers la cathode pour créer un flux électrique.

L’excellente conductivité et la stabilité chimique du platine sont ce qui le rend si efficace en tant que catalyseur. Leur L’efficacité est essentielle pour atteindre des taux de conversion d’énergie élevés dans les piles à combustible, leur permettant de concurrencer les sources d’énergie traditionnelles. 

Alors que le besoin de décarbonisation continue d’augmenter, la demande de platine devrait de croître grâce aux technologies PEM à base de platine qui offrent le potentiel de réduire de 11 % les émissions mondiales de dioxyde de carbone.

Ce métal suscite donc un intérêt croissant à l'échelle mondiale. Aux États-Unis, la loi sur la réduction de l'inflation prévoit un avantage fiscal pour l'hydrogène bas carbone afin d'accélérer la production d'hydrogène propre et l'adoption des véhicules électriques à pile à combustible. Le programme REPowerEU de la Commission européenne vise quant à lui à doubler sa capacité d'hydrogène propre pour la porter à 80 GW d'ici 2030.

Selon le World Platinum Investment Council, cette poussée mondiale peut faire de la production d’hydrogène propre la plus grande source (35 %) de la demande de platine d’ici 2040.

Outre le déséquilibre entre l'offre et la demande, l'utilisation de métaux précieux comme le platine pose d'autres défis, tels que des coûts élevés, une dégradation potentielle et des préoccupations environnementales. Par conséquent, les chercheurs travaillent en permanence à éliminer le platine comme catalyseur d'hydrogène et à trouver de meilleures alternatives.

Cliquez ici pour tout savoir sur l’investissement dans le platine.

Fabrication de catalyseurs sans platine

À la recherche d'hydrogène sans platine, des chercheurs de l'UNSW Sydney mener une étude pour répondre aux problèmes liés à l’utilisation du métal précieux dans les piles à combustible à hydrogène. 

Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour comprendre pourquoi certains matériaux catalyseurs ont moins de stabilité que le Pt, Qui aidera d'autres chercheurs à développer de nouveaux matériaux et à améliorer avenir perspectives des catalyseurs sans platine dans les piles à combustible à hydrogène.

Les techniques développées ont révélé que jusqu'à 75 % des sites actifs à base de fer de la pile à combustible devenaient inactifs au cours des 10 premières heures de fonctionnement. Ce phénomène était dû en grande partie à la perte de sites actifs à base de fer, la corrosion du carbone étant une autre cause. 

Dans un séparé étude¹Des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison, de l'Université Cornell et de l'Université de Wuhan ont découvert une nouvelle façon de catalyser la réaction pour fabriquer des piles à combustible à hydrogène.

Les chercheurs ont utilisé du nickel, un métal non précieux et bon marché, pour les électrodes de cathode et d'anode de la pile à combustible. L'électrocatalyseur à base de nickel a été conçu avec une coque de 2 nanomètres en carbone dopé à l'azote.

L'incorporation d'atomes de nickel individuels dans une gaine semblable au graphène composée d'atomes de carbone et d'azote les rend résistants à l'oxydation et lié atomes d'hydrogène avec la force idéale nécessaire pour une réaction d'oxydation de l'hydrogène efficace (HOR).

Ainsi, avec un catalyseur anodique constitué d'un noyau de nickel solide enfermé dans une coque en carbone et une cathode en cobalt-manganèse, les chercheurs ont créé une pile à combustible à hydrogène exempte de tout métal précieux avec une puissance de sortie supérieure à 200 mW/cm².

Back in 2020, scientists at the DOE’s Argonne National Laboratory meanwhile found and développé Le catalyseur sans platine le plus prometteur pour les piles à combustible à hydrogène qui reposent sur la réaction de réduction de l'oxygène (ORR). était basé sur le fer, l'azote et le carbone, qui étaient mélangés et chauffé entre 900 et 1100 degrés Celsius en pyrolyse.

Then, the material’s iron atoms were bonded with nitrogen atoms and embedded in graphene. Here, each iron atom constitutes a site at which the ORR can occur, hence making the electrode more efficient.

Dans le contexte de cet intérêt croissant pour la réduction de la dépendance au platine coûteux et l’amélioration de l’efficacité et de la rentabilité des piles à combustible à hydrogène et de l’électrolyse, les scientifiques ont désormais développé un catalyseur à base de nanofeuilles de palladium dont les performances sont comparables à celles du platine dans la production d’hydrogène.

Le palladium comme alternative au platine pour un hydrogène abordable

La derniers² étude proviennent des chercheurs de l'Université des sciences de Tokyo (TUS) qui ont développé un nouveau catalyseur d'évolution de l'hydrogène, les nanofeuilles de coordination bis(diimino)palladium (PdDI).

Le palladium est un métal brillant, argenté et l'un des métaux du groupe du platine les plus abondants, avec une densité bien inférieure à celle du platine.

L'utilisation du palladium, qui offre une efficacité comparable à celle du platine à une fraction du coût, ouvre la voie à une production d’hydrogène abordable et durable pour accélérer la révolution de l’énergie propre. 

Dirigée par le professeur Hiroshi Nishihara et le Dr Hiroaki Maeda de la TUS en partenariat avec des chercheurs d'autres instituts, l'étude marque une avancée dans la technologie de la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER).

Les électrodes catalytiques HER facilitent la conversion de H, qui est produit à la surface de l'électrode lors de la séparation de l'eau, en hydrogène gazeux (H2). Pour surmonter les limitations du platine qui limitent son application à grande échelle comme catalyseur HER, l'équipe propose une alternative très efficace aux catalyseurs au platine grâce à un procédé de synthèse simple.

L'équipe a créé des nanofeuilles à base de palladium qui avoir la capacité de obtenir une activité catalytique élevée avec une utilisation réduite de métaux précieux, ce qui réduit considérablement les coûts de production de H2.

Comme l'a souligné le Dr Maeda, « le développement d'électrocatalyseurs HER efficaces est essentiel à la production durable de H2 » et « les nanofeuilles de coordination bis(diimino)métalliques, avec leur conductivité élevée, leur grande surface et leur transfert d'électrons efficace, sont des candidats prometteurs. » Outre ces propriétés, la disposition métallique clairsemée des nanofeuilles réduit l'utilisation de matériaux. 

Les nanofeuilles de PdDI, à savoir E-PdDI et C-PdDI, ont été développées avec succès en utilisant deux méthodes différentes :

1. Oxydation électrochimique
2. Synthèse interfaciale gaz-liquide

Une fois activées, les feuilles E-PdDI ont démontré une faible surtension de 34 mV, ce qui signifie peu d'énergie supplémentaire est nécessaire for hydrogen production. It not only matches the overpotential of platinum, which is 35 mV, but also the precious metal’s catalytic performance with the exchange current density of 2.1 mA/cm².

Les « performances remarquables » surpassent non seulement celles des électrodes métalliques Pd mais aussi celles des nanofeuilles MDI conventionnelles (M=Ni, Co, Cu), a noté l'étude, ajoutant que ces performances exceptionnelles ont été obtenues malgré l'utilisation de très petites quantités de métaux précieux.

Avec ces résultats, l'E-PdDI présente les catalyseurs HER les plus efficaces développés à ce jour, ce qui en fait une alternative prometteuse à faible coût au platine.

En ce qui concerne la stabilité à long terme, un aspect crucial de tout catalyseur, les nanofeuilles de PdDI ont également démontré une excellente durabilité. Elles sont restées intactes après 12 heures en conditions acides, validant ainsi leur applicabilité aux systèmes de production d'hydrogène en conditions réelles. 

« Nos recherches nous rapprochent un peu plus de notre objectif de rendre la production d’hydrogène plus abordable et plus durable, une étape cruciale pour parvenir à un avenir énergétique propre. »

– Dr Maeda

By reducing the reliance on scarce and costly platinum, bis(diimino)palladium coordination nanosheets (PdDI) also align with the UN’s Sustainable Development Goals (SDGs), promoting affordable and clean energy as well as innovation and infrastructure. 

Il convient de noter que l’étude isn’t restricted aux expériences en laboratoire. La rentabilité, l'évolutivité et l'activité accrue des nanofeuilles de PdDI les rendent extrêmement utiles dans les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle, les piles à combustible à hydrogène et la production industrielle d'hydrogène.

De plus, le PdDI pourrait réduire les émissions liées à l'exploitation minière et aux catalyseurs à base de platine, accélérant ainsi la transition vers une économie de l'hydrogène durable. La prochaine étape pour l'équipe de la TUS consiste à optimiser les nanofeuilles de PdDI pour une utilisation concrète.

Cliquez ici pour tout savoir sur l'investissement à Palladiu

Entreprises innovantes investissables 

Let’s now take a look at a prominent name in the field that is helping advance clean energy technologies, including the development of platinum-free hydrogen catalysts.

Plug Power Inc. (PLUG + 1.39%)

Cette société, dont la capitalisation boursière est de 1.54 milliard de dollars, est spécialisée dans les systèmes de piles à combustible à hydrogène et a mené des recherches sur des catalyseurs sans platine pour réduire les coûts et améliorer l'efficacité.

Au moment de la rédaction de cet article, l'action PLUG s'échange à 1.71 $, en baisse de 21.6 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur 2.54 mois) est de -0.65 et son PER (sur XNUMX mois) de -XNUMX.

Pour le quatrième trimestre 4, Plug Power rapporté Un chiffre d'affaires de 191.5 millions de dollars et une marge brute en baisse de 122 %, tandis que le flux de trésorerie d'exploitation a progressé de 46 % sur un an. L'entreprise a clôturé l'année avec plus de 200 millions de dollars de liquidités non affectées. L'entreprise a récemment conclu un programme de garantie de prêt du DOE de 1.66 milliard de dollars. 

During this period, Plug Power’s electrolyzer business continued to scale, and the hydrogen business strengthened.

« 2024 a été une année de forte exécution et de progrès stratégiques significatifs pour Plug, alors que nous avons fait progresser nos initiatives et progressé dans la promotion de l'économie de l'hydrogène. »

– Le PDG Andy Marsh

Dernières nouvelles sur Plug Power

Conclusion

Avec la croissance rapide de la population mondiale, devrait Si ce chiffre devrait atteindre environ 10.3 milliards d’ici le milieu des années 2080, le problème des émissions de gaz à effet de serre va devenir encore plus grave. L' crée un besoin de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et d’adopter des sources d’énergie propres, plus sûres, abondantes et respectueuses de l’environnement.

Ici, l'hydrogène s'est imposé comme un moteur essentiel d'un avenir propre et durable, offrant une alternative zéro émission aux combustibles fossiles. Bien que prometteuse, la production d'hydrogène à grande échelle repose fortement sur des catalyseurs coûteux à base de platine, ce qui fait du coût un enjeu majeur pour l'industrie.

En remplaçant le précieux métal Pt par des nanofeuilles de PdDI, la dernière étude a réalisé une percée dans la production rentable d'électrodes et a produit d'excellents résultats dans les industries de fourniture d'électrodes, la production d'hydrogène et l'automobile.

Cliquez ici pour obtenir une liste des meilleures actions du secteur des énergies propres axées sur l’environnement. 

Études référencées :

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, FJ, Muller, DA, Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, HD, et Zhuang, L. (2022). Pile à combustible alcaline entièrement exempte de métaux précieux, aux performances améliorées grâce à une anode en nickel revêtue de carbone. Actes de l'Académie nationale des sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, EJH, Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthèse de nanofeuilles de bis(diimino)palladium comme électrocatalyseurs hautement actifs pour l'évolution de l'hydrogène. Chimie – Une revue européenne. https://doi.org/10.1002/chem.202403082