Les électrolyseurs aqueux doivent innover dans leur architecture

L’industrie chimique est un secteur d’activité fortement émetteur en CO₂. Alors que nos sociétés doivent faire face aux changements climatiques, il devient plus que jamais indispensable de décarboner massivement cette industrie. L’hydrogène est un réactif couramment utilisé pour la synthèse de nombreux produits (engrais, acier, méthanol…). Malheureusement, il est actuellement produit à plus de 95% par vaporeformage d’hydrocarbures, un procédé certes bon marché mais qui libère énormément de CO₂. Une solution pour réduire l’empreinte carbone de la production d’hydrogène serait de produire à plus grande échelle cet élément à l’aide d’électrolyseurs aqueux alimentés par les énergies renouvelables, produisant ainsi un hydrogène dit « vert ».

Malgré les recherches déjà entreprises, les avancées en laboratoire, notamment au niveau des matériaux, peinent à se concrétiser au niveau industriel. Bien que la technologie des électrolyseurs soit plus ancienne que celle des batteries, elle n’a pas connu le succès des batteries Li-ion. La faute revient à la nature même des électrolyseurs qui sont des systèmes ouverts complexes où l’influence des matériaux développés en laboratoire sur les performances globales est difficilement estimable.

En maintenant les systèmes tels qu’ils sont conçus aujourd’hui, le principal gain en coût se fera en changeant d’échelle de production et en développant des électrolyseurs de grande envergure. Alors que le prix des catalyseurs utilisés représente une faible part du prix total des électrolyseurs, la quantité de matériaux rares, comme l’iridium, pour équiper toute l’industrie chimique sera certainement le paramètre limitant. Ainsi, les performances et la durabilité de ces matériaux doivent être améliorées afin de pouvoir maintenir leur utilisation au plus bas. Cependant, chercheurs et industriels évaluent les performances de ces matériaux et dispositifs de façon différente, l’écart entre caractérisations académique et industrielle provenant de la complexité des systèmes analysés.

Conscients des limites intrinsèques de ces systèmes, deux chercheurs du laboratoire Chimie du Solide et énergie proposent dans un article publié dans Nature Materials de dépasser ces problèmes en modifiant en profondeur l’architecture des électrolyseurs à travers l’intégration des concepts de design provenant du domaine des batteries. Ils font pour cela un tour d’horizon des travaux déjà effectués et prometteurs sur le sujet. Deux options de design se dégagent, à savoir de développer des électrolyseurs sans membrane séparatrice, ou de décorréler dans ces dispositifs les fonctions de stockage de l’énergie électrique et de génération d’hydrogène .

L’ensemble des conclusions est à retrouver dans la perspective disponible au lien suivant : https://www.nature.com/articles/s41563-020-0788-3