Des chercheurs créent de l’hydrogène à partir d’eau de mer sans prétraitement

Il y a beaucoup d’eau dans le monde, mais seulement 2,5 % de celle-ci est douce. Les gens sont fascinés par l’idée de fabriquer de l’hydrogène en faisant passer un courant électrique dans l’eau pour la diviser en ses composants – l’hydrogène et l’oxygène. Quand ils pensent à toute l’eau des océans du monde, ils voient un approvisionnement pratiquement illimité d’hydrogène qui n’attend qu’à être libéré de ses liens aqueux.

Malheureusement, avant que l’eau de mer ne puisse être utilisée dans un électrolyseur – qui divisera les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène – l’eau de mer doit d’abord être dessalée, un processus qui utilise la technologie d’osmose inverse. Après cela, avant d’entrer dans l’électrolyseur, il doit être purifié et ionisé à l’aide de coûteux catalyseurs de métaux précieux comme le platine et l’iridium.

Hydrogène directement de l’eau de mer

Des chercheurs de l’Université d’Adélaïde disent avoir une solution. Selon un rapport publié le 30 janvier dans la revue Énergie naturellel’équipe a réussi à fabriquer de l’hydrogène directement à partir d’eau de mer dans un processus qui utilise des catalyseurs bon marché et abondants comme l’oxyde de cobalt avec de l’oxyde de chrome à sa surface comme catalyseur.

« Nous avons divisé l’eau de mer naturelle en oxygène et en hydrogène avec une efficacité de près de 100%, pour produire de l’hydrogène vert par électrolyse, en utilisant un catalyseur non précieux et bon marché dans un électrolyseur commercial », a déclaré le professeur Shizhang Qiao, co-directeur de l’équipe. pour Engadget. Yao Zheng, co-leader, a ajouté : « Notre travail fournit une solution pour utiliser directement l’eau de mer sans systèmes de prétraitement ni ajout d’alcali, qui présente des performances similaires à celles de l’électrolyseur d’eau pure mature à base de métal existant.

Clean Technica les lecteurs aiment lire les détails d’une recherche comme celle-ci plutôt que des communiqués de presse fleuris, alors voici le résumé de l’étude. Le reste est derrière un paywall.

L’utilisation de grandes quantités d’eau de haute pureté pour la production d’hydrogène peut aggraver la pénurie de ressources en eau douce. L’eau de mer est abondante mais doit être dessalée avant d’être utilisée dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) typiques. Nous rapportons ici l’électrolyse directe de l’eau de mer réelle qui n’a pas été alcalinisée ni acidifiée, atteignant une stabilité à long terme supérieure à 100 h à 500 mA cm-2 et des performances similaires à un électrolyseur PEM typique fonctionnant dans de l’eau de haute pureté.

Ceci est réalisé en introduisant une couche d’acide de Lewis (par exemple, Cr2O3) sur des catalyseurs d’oxyde de métal de transition pour diviser dynamiquement les molécules d’eau et capturer les anions hydroxyle. Tel sur place l’alcalinité locale générée facilite la cinétique des deux réactions d’électrode et évite l’attaque des chlorures et la formation de précipités sur les électrodes. Un électrolyseur d’eau de mer naturelle de type flux avec des électrodes modifiées à l’acide de Lewis (Cr2O3–CoOx) présente la densité de courant requise industriellement de 1,0 A cm−2 à 1,87 V et 60 °C.

Dans un communiqué de presse, l’Université d’Adélaïde affirme que l’eau de mer est une ressource presque infinie et est considérée comme un électrolyte naturel. Ceci est plus pratique pour les régions avec de longues côtes et un ensoleillement abondant. Cependant, ce n’est pas pratique pour les régions où l’eau de mer est rare.

L’électrolyse de l’eau de mer en est encore à ses débuts par rapport à l’électrolyse de l’eau pure en raison des réactions secondaires des électrodes et de la corrosion résultant des complexités de l’utilisation de l’eau de mer.

« Il est toujours nécessaire de traiter l’eau impure à un niveau de pureté de l’eau pour les électrolyseurs conventionnels, y compris le dessalement et la désionisation, ce qui augmente le coût d’exploitation et de maintenance des procédés. Notre travail fournit une solution pour utiliser directement l’eau de mer sans systèmes de prétraitement ni ajout d’alcali, qui présente des performances similaires à celles de l’électrolyseur d’eau pure mature à base de métal existant », a déclaré Zheng.

L’équipe de recherche va maintenant porter son attention sur la mise à l’échelle du système en utilisant un électrolyseur plus grand afin qu’il puisse être utilisé dans des processus commerciaux tels que la génération d’hydrogène pour les piles à combustible et la synthèse d’ammoniac.

La dynamique de l’hydrogène propre

Pour ne pas trop insister là-dessus, l’Australie possède toutes les ressources naturelles nécessaires pour devenir l’Arabie Saoudite de l’énergie propre. Il a suffisamment de terres ouvertes baignées de soleil pour alimenter la planète entière, en supposant qu’elles puissent être récoltées et distribuées efficacement. Il n’y a aucun problème avec le NIMBYisme dans le centre de l’Australie, où des terres ouvertes sont disponibles sur des centaines de kilomètres dans toutes les directions. C’est aussi une île — assez grande mais une île quand même — entourée de toutes parts par la mer. Combinez une énergie renouvelable abondante avec de l’eau de mer à volonté et hop ! Le monde devient un marché pour l’hydrogène produit Down Under.

L’hydrogène est une matière délicate, cependant. Le plus réactif de tous les éléments, il est difficile à contenir et à transporter. C’est là que l’ammoniac, une molécule composée d’atomes d’hydrogène et d’azote, entre en jeu. L’ammoniac peut être transporté assez facilement et à peu de frais via les pipelines et les cargos existants. En fait, il peut être utilisé comme carburant «vert» pour ces mêmes navires et aider à réduire les émissions de carbone du transport maritime tout en transportant de l’ammoniac vert vers les marchés étrangers. Notre correspondant australien, David Waterworth, a écrit en 2021 que BP investit dans un hub d’ammoniac vert en Australie occidentale près de Perth.

Ma collègue Tina Casey a écrit l’année dernière : « Le rêve d’une économie mondiale alimentée par l’hydrogène renouvelable se précise, à l’exception d’un point de friction clé. Transporter de l’hydrogène d’un endroit à un autre augmente les coûts. La perte d’énergie est également un problème. Un moyen de transport peu coûteux, efficace et durable comblerait le vide, et apparemment l’ammoniac vert est en première ligne.

Elle a également rapporté cette découverte du Département américain de l’énergie, « L’ammoniac est l’un des seuls matériaux qui peuvent être produits à moindre coût, transportés efficacement et transformés directement pour produire de l’hydrogène et un sous-produit non polluant. »

Non seulement l’ammoniac convient comme transporteur d’hydrogène, mais il est également largement utilisé comme engrais dans l’agriculture. Le problème est qu’environ 95% des engrais sont fabriqués à partir d’ammoniac produit à partir de combustibles fossiles – principalement du méthane. La mise sur le marché d’engrais «verts» réduirait considérablement les émissions mondiales de carbone – bien que la question de l’excès d’azote se déversant dans les rivières et les ruisseaux à proximité reste toujours un sujet de préoccupation considérable.

Les plats à emporter

L’hydrogène de l’eau de mer est un rêve, qui pourrait jouer un rôle important dans la réduction de la quantité de dioxyde de carbone qui est pompée dans l’atmosphère chaque seconde de chaque jour. Les chercheurs de l’Université d’Adélaïde offrent la promesse d’un hydrogène vert abordable à partir de la lumière du soleil et de l’eau de mer. Cet hydrogène pourrait réduire l’intensité carbone de la fabrication de l’acier et du ciment, ainsi que de l’agriculture et du transport maritime.

Nous sommes dans une situation d’urgence climatique et avons besoin de toute l’aide possible pour faire baisser la température de la Terre. Cette recherche pourrait être une étape importante dans cette quête.