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Du graphène pour produire de l'hydrogène sans platine

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Le coût et la raréfaction prévisible du platine pose problème pour le développement de la production d'hydrogène qui alimentera les voitures et l'électronique de demain. Une alternative prometteuse pour ce catalyseur a été découverte, à base de graphène et de cobalt.

Ces feuillets de 15 microns d'épaisseur observés avec un microscope électronique sont constitués de graphène dopé à l'azote et avec des atomes de cobalt. Bien moins coûteux que le platine, le graphène permet lui aussi de produire de l'hydrogène par électrolyse. © Tour Group, Rice University

L'hydrogène et les piles à combustible qui l'utilisent sont appelés à un grand avenir. Ils devraient faire fonctionner les voitures du futur et aussi alimenter bon nombre de dispositifs électroniques comme les ordinateurs portables. Mais, ne nous y trompons pas, l'hydrogène n'est qu'une source d'énergie secondaire ; il reste à la produire à partir d'une source d'énergie primaire que l'Homme veut, bien sûr, non polluante, renouvelable - au contraire des énergies fossiles - et au plus bas coût possible.

Avant que la fusion contrôlée ne prenne peut-être le relais de ces énergies vers 2050, celle du soleil devrait déjà être plus facilement exploitable grâce aux progrès de technologies comme celles à l'origine des cellules photovoltaïques. Et la production d’hydrogène avec de l'électricité d'origine solaire serait grandement facilité à tout point de vue s'il existait une alternative au platine, qui sert de catalyseur efficace pour les réactions chimiques. Le platine des électrodes qui servent à produire de l'hydrogène par électrolyse est en effet un métal rare, ce qui augmente les coûts de production de l'hydrogène. Les laboratoires de la planète cherchent donc des alternatives à ce métal, comme par exemple des matériaux à base de cobalt qui se sont montrés intéressants depuis quelques années. En théorie, la crise des ressources en platine qui se prépare pourrait être résolue par l'exploitation des astéroïdes mais cela n'est pas encore pour demain.

Le nouveau catalyseur à base de graphène permet la production de bulles d'hydrogène. © Mike Williams, YouTube

Un catalyseur en graphène des centaines de fois moins cher que le platine

Les nanotechnologies pourraient-elles nous aider à résoudre ce problème et rendre abondantes des ressources comme l'hydrogène ? Certains le pensent, comme l'explique Peter Diamandis dans son célèbre ouvrage Abundance. Et, lorsqu'il est question de nanotechnologies, le matériau miracle qu'est le graphène est automatiquement évoqué. Les chercheurs de la Rice University, aux États-Unis, semblent ainsi y avoir pensé. Ils viennent de publier un article sur cette question dans le journal Nature.

Plus la surface de contact d'un catalyseur avec un réactif est importante, plus les réactions qu'il engendre sont importantes et rapides, c'est pourquoi de la poudre de platine est plus efficace qu'un bloc de ce métal. Des nanoparticules de cobalt permettent donc d'obtenir des résultats mais elles ne permettent pas de révolutionner la production d'hydrogène.

Les chimistes de la Rice University ont toutefois réussi à fixer des atomes de cobalt isolés sur un support à base de graphène de sorte que la production d'hydrogène peut être réalisée presque à l'échelle des atomes avec cet élément. Les performances obtenues rivalisent avec celles du platine bien que celui-ci reste encore le catalyseur le plus efficace pour l'électrolyse de l'eau.

Le graphène, avec sa grande surface de contact et ses excellentes propriétés de conduction et de résistance, était le matériau tout indiqué pour supporter ces atomes de cobalt et pouvoir être facilement intégré à des électrodes. Les chercheurs ont obtenu leur nouveau catalyseur en chauffant de l'oxyde de graphène avec des sels de cobalt en petites quantités dans un environnement gazeux. Le matériau obtenu a des aspects de feuilles de papier et il est formé de graphène dopé à l'azote avec des atomes de cobalt qui apparaissent comme largement dispersé à sa surface lorsqu'il est observé au microscope électronique. Il est des centaines de fois moins cher que le platine.

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