Planète

Énergie : le cobalt pourrait démocratiser la production d’hydrogène

ActualitéClassé sous :développement durable , chimie , production d’hydrogène

La production d'hydrogène à partir d'eau coûte cher car elle nécessite l'emploi de platine. Des chercheurs français proposent des alternatives peu onéreuses pour le remplacer par deux matériaux composés de cobalt. Le premier fonctionne à un pH neutre tandis que le second est commutable : il change de forme selon que l'on veut produire de l'hydrogène ou de l'oxygène. 

La moitié des réserves mondiales connues de cobalt (7 millions de tonnes) se concentre en République démocratique du Congo. © Fairphone, Flickr, CC by-nc-sa 2.0

Les énergies renouvelables (soleil, vent, etc.) sont des sources d'énergie primaire inégalement réparties sur le territoire et disponibles de manière intermittente. De ce fait, pouvoir stocker l'énergie produite paraît indispensable. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau constitue une solution prometteuse, mais elle requiert des catalyseurs contenant des métaux « nobles » comme le platine. La rareté et le coût de ces éléments sont des freins au développement économique de la filière hydrogène sur le long terme. 

La chimie bio-inspirée se base sur des processus chimiques à l'œuvre chez certains organismes vivants. Ces êtres possèdent des systèmes enzymatiques, appelés hydrogénases, qui utilisent exclusivement des métaux peu coûteux et abondants dans la nature afin, soit d'exploiter l'hydrogène comme source énergétique, soit de produire ce gaz à partir d'eau. Depuis plusieurs années, les chercheurs s'inspirent de ces enzymes pour élaborer de nouveaux catalyseurs moléculaires, sans platine, mais à base de métaux abordables et suffisamment présents dans la nature (comme le fer, le nickel, le cobalt ou le manganèse).

Pour être utilisables dans des dispositifs technologiques, ces molécules synthétiques doivent, comme le platine, être fixées en très grandes quantités sur des électrodes présentant une surface disponible importante. En 2009, des équipes de chercheurs du CEA, du CNRS  et de l'université Joseph Fourier ont réussi à immobiliser un de ces catalyseurs bio-inspirés, à base de nickel, sur des nanotubes de carbone. Mais ce matériau n'est actif qu'en milieu fortement acide. Or, l'électrolyse implique deux réactions : production d'hydrogène et production d'oxygène, et pour s'affranchir du platine dans les deux cas, il faut réussir à travailler sous des valeurs du pH neutres à basiques.

Le cobalt est notamment utilisé pour la fabrication de pigments colorés bleutés (par exemple pour le bleu de cobalt), mais il est blanc argenté lors de son extraction. © FK1954, Wikimedia common, DP

Des assemblages de nanoparticules commutables

En utilisant la même approche qu'en 2009, mais en développant un nouveau catalyseur bio-inspiré, à base de cobalt, les mêmes équipes viennent de franchir une nouvelle étape en obtenant un matériau pouvant fonctionner dans des solutions aqueuses de pH neutre. L'activité catalytique obtenue s'avère extrêmement stable sur le long terme, la liaison du catalyseur aux nanotubes décuplant sa robustesse. 
 
Les chercheurs sont allés plus loin et ont, en parallèle, mis au point un autre matériau, constitué de nanoparticules de cobalt enrobées d'un oxophosphate de cobalt. Cet assemblage, qui fonctionne dans l'eau de pH neutre, est remarquable car il existe sous deux formes entre lesquelles il peut commuter et qui catalysent soit la production d'hydrogène (H2), soit l'autre réaction essentielle au processus d'électrolyse, à savoir la production d'oxygène (O2) à partir d'eau. Il s'agit du premier matériau catalytique « commutable » ou « Janus » non basé sur des métaux nobles. Tout en s'affranchissant du platine, il peut garantir de manière stable la production d'hydrogène à partir d'eau de pH neutre. 

Ces nouveaux matériaux à base de cobalt pourraient servir à développer des technologies stables et bon marché pour la production d'hydrogène, comme « solution » de stockage des énergies renouvelables. Les chercheurs travaillent actuellement à leur intégration dans un système global de photosynthèse artificielle, permettant de produire de l'hydrogène de manière totalement renouvelable, à partir d'eau et d'énergie solaire. Ces deux avancées majeures ont été présentées dans les revues Nature Chemistry et Nature Materials.