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Un nouveau catalyseur pour produire l'hydrogène de la voiture de demain

L’hydrogène et la pile à combustible font partie des alternatives de demain au pétrole et au moteur à essence. Malheureusement, la production efficace d’hydrogène par électrolyse repose sur le coûteux platine qui sert de catalyseur. Des nanofeuillets de nitrure de nickel et molybdène récemment synthétisés sont un catalyseur de remplacement prometteur.

Les nanofeuillets vus au microscope électronique. © Brookhaven National Laboratory Les nanofeuillets vus au microscope électronique. © Brookhaven National Laboratory

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Le monde est de plus en plus gourmand en énergie alors que les réserves de pétrole s’épuisent et que les contraintes environnementales nous poussent à limiter les rejets en CO2 pour éviter un réchauffement climatique catastrophique. Depuis des années, les laboratoires se tournent donc vers des sources d’énergies alternatives qui pourraient assurer un développement durable sur la Planète entière. Pour remplacer l’essence de nos voitures, divers projets de véhicules électriques basés sur l’utilisation de l’hydrogène ont été étudiés. À l’aide d’une pile à combustible, il est en effet possible de produire de l’électricité pour alimenter des systèmes de toute taille, à condition bien sûr que l’on dispose d’une source d’énergie primaire pour la production de cet hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau.

En se recombinant avec de l’oxygène, l’hydrogène produit de l’électricité sans libérer de gaz à effet de serre. Malheureusement, pour produire de l’hydrogène avec un bon rendement par électrolyse, et même pour renverser le processus dans une pile à combustible, il faut un bon catalyseur. Le platine, largement utilisé, reste rare et cher. On ne voit donc pas comment l’économie mondiale, simplement en ce qui concerne les véhicules individuels comme les voitures, pourrait se développer avec cette contrainte lorsque l’on sait que le platine coûte déjà aujourd’hui 50.000 dollars le kilogramme.

Au regard de ces questions économiques et environnementales, Peter Diamandis et James Cameron se proposent de catalyser l’exploitation des astéroïdes, là où le platine abonde.


Mise en œuvre d'une maquette de voiture à hydrogène. Expérience extraite du CD-Rom L'hydrogène... d'hier à aujourd'hui de Paul Drouillon. © Micrelec1-YouTube

Des catalyseurs alternatifs existent, bien qu'il soit encore difficile d'en trouver un aussi efficace (mais moins coûteux) que le platine. Une preuve en est la découverte presque fortuite faite par des chercheurs du Brookhaven National Laboratory et publiée dans un article récent.

Un catalyseur mille fois moins cher que le platine ?

Les chimistes savaient qu’il devait être possible de modifier la structure des nuages électroniques des atomes de nickel pour qu’ils ressemblent à celle des atomes du platine en les plaçant dans un composé formé de molybdène et d’azote. Le kilogramme de nickel et de molybdène coûtant respectivement 20 dollars et 32 dollars, on comprend bien qu’en cas de succès, le prix du catalyseur obtenu chuterait d’un facteur voisin de mille, rendant économiquement bien plus avantageux l’adoption générale de moteurs à hydrogène.

On espérait obtenir un tel catalyseur par une poudre de nanoparticules en chauffant à haute température un mélange de molybdène, nickel, azote, ammoniac. Toute la difficulté était d’obtenir des nanoparticules formées de nickel et d’azote (le mélange en lui-même est relativement facile à obtenir pour des microparticules). 

À leur grande surprise, les chercheurs ont non seulement obtenu des nanofeuillets du composé recherché mais avec des qualités supérieures à ce qu’ils espéraient. En tant que catalyseur, il est presque aussi performant que le platine. Cela ne suffit pas encore pour une mutation technologique mais c’est prometteur. Il ne suffit pas de pouvoir faire des électrolyses ou des piles à combustible avec un bon rendement. Il faut en effet pouvoir stocker et libérer à volonté de grandes quantités d’hydrogène dans un petit volume et de façon sûre, sans danger d’explosion. On explore pour cela diverses voies comme l’utilisation des fullerènes ou encore du MOF 74

N'oublions pas non plus que l'hydrogène n'est pas une source primaire d'énergie, juste un vecteur bien pratique. L'électricité utilisée pour sa production doit venir d'autre chose que du pétrole, peut-être d'une station spatiale solaire.


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