Un nanomatériau pour stocker l’énergie solaire: efficace et peu coûteux

Villigen, 17.07.2017 - Un nouveau matériau catalytique pour électrolyseurs fait ses preuves en test pratique Si l’on veut qu’à l’avenir l’énergie solaire et éolienne puissent apporter une contribution importante à notre approvisionnement énergétique, il faut pouvoir la stocker de manière efficace. Le stockage sous forme d’hydrogène produit à base d’eau grâce à l’énergie solaire ou éolienne constitue une approche importante. Sa production s’effectue dans ce qu’on appelle un électrolyseur. A l’avenir, ces appareils devraient être meilleur marché et plus efficaces grâce à un nouveau matériau développé par des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer et de l’Empa. Le matériau en question sert de catalyseur: il accélère la dissociation des molécules d’eau dans l’électrolyseur, soit la première étape de la production d’hydrogène. Les chercheurs ont également montré comment ce matériau pouvait être produit de manière fiable en grandes quantités. Ils ont aussi démontré son rendement dans une cellule électrolytique technique, composant principal d’un électrolyseur. Les scientifiques présentent leurs résultats dans l’édition actuelle de la revue spécialisée Nature Materials.

Comme elles ne sont pas disponibles à tout moment, l'énergie solaire et l'énergie éolienne ne peuvent apporter une contribution essentielle à l'approvisionnement énergétique que si l'on a les moyens de les stocker de manière efficace. Leur stockage sous forme d'hydrogène représente une voie prometteuse. Pour ce faire, on dissocie de l'eau ordinaire en hydrogène et oxygène dans un électrolyseur, en utilisant l'électricité issue de l'énergie solaire ou éolienne. L'hydrogène sert ensuite de vecteur énergétique. Il peut être stocké dans des réservoirs pour être converti ultérieurement en énergie électrique, par exemple au moyen de piles à combustible. La conversion peut se faire directement là où l'on a besoin de l'électricité: dans des logements ou des véhicules à piles à combustible, qui permettraient une mobilité sans émissions de CO2.

Peu coûteux et efficace

Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont à présent développé un nouveau matériau. Il sert de catalyseur et accélère la dissociation des molécules d'eau dans l'électrolyseur, soit la première étape de la production d'hydrogène. «Aujourd'hui, on trouve deux types d'électrolyseur sur le marché: les uns sont efficaces, mais chers, parce que leur catalyseur contient entre autres des métaux nobles comme l'iridium, explique Emiliana Fabbri, chercheuse à l'Institut Paul Scherrer. Les autres sont meilleur marché, mais moins efficaces. Notre objectif était donc de développer un catalyseur qui soit à la fois efficace et bon marché en se passant de métaux nobles.»

Pour ce faire, les chercheurs ont recouru à un matériau déjà connu: un composé complexe de baryum, de strontium, de cobalt, de fer et d'oxygène - ce qu'on appelle une perovskite. Mais ils ont commencé par développer un procédé permettant de produire ce composé sous forme de minuscules nanoparticules. C'est en effet seulement sous cette forme que la perovskite peut déployer une action efficace, car un catalyseur a besoin d'une surface aussi importante que possible au niveau de laquelle de nombreux centres réactifs accélèrent la réaction électrochimique. Or si l'on miniaturise autant que possible les différentes particules du catalyseur, leurs surfaces s'additionnent pour former une surface totale plus importante.

Pour la fabrication de la nanopoudre, les chercheurs ont utilisé un appareil dit de projection thermique (flame spray) exploité par l'Empa. Dans cet engin, les composants du matériau sont envoyés à travers une flamme, où ils se mélangent et se figent rapidement en petites particules dès qu'ils sont hors de la flamme. «Le défi été d'utiliser l'appareil de manière à être sûr que les atomes des différents éléments se retrouvent dans la bonne structure, souligne Emiliana Fabbri. Nous avons réussi par ailleurs à varier de manière ciblée la teneur en oxygène et à produire ainsi différentes variantes.»

Succès en test pratique

Les chercheurs ont non seulement montré que leurs développements fonctionnaient dans le cadre d'essais en laboratoire, mais aussi qu'ils étaient véritablement utilisables dans la pratique. Le procédé de fabrication fournit ainsi d'importantes quantités de poudre catalytique et devrait pouvoir être facilement étendu à l'échelle industrielle. «Pour nous, il était important également de soumettre le catalyseur à un véritable test pratique, poursuit Emiliana Fabbri. Au PSI, nous avons bien entendu des installations de mesure où nous pouvons étudier le matériau, mais ce qui compte, au final, c'est le comportement du matériau dans une cellule électrolytique industrielle, comme celles qui sont utilisées dans les électrolyseurs du commerce.» C'est pourquoi les chercheurs ont testé le catalyseur en collaboration avec un fabricant américain d'électrolyseurs. Lors de ces tests, ils ont réussi à montrer que l'appareil fonctionnait de manière plus fiable avec la nouvelle perovskite des chercheurs du PSI qu'avec le catalyseur en oxyde d'iridium conventionnel.

Analysé sur des laps de temps de l'ordre du millième de seconde

Au-delà, les chercheurs ont également réussi à analyser et à comprendre ce qui se passe dans le nouveau matériau lorsqu'il est actif. Pour ce faire, ils l'ont radiographié avec une lumière de type rayons X à la Source de Lumière Suisse SLS du PSI. Celle-ci abrite un poste de mesure unique au monde, à disposition des chercheurs, où l'on peut étudier un matériau sur des laps de temps de 200 millièmes de seconde. «Nous pouvons ainsi suivre les modifications du catalyseur pendant la réaction catalytique: nous voyons comment les propriétés électroniques ou l'agencement des atomes changent, explique Emiliana Fabbri. A d'autres installations, une seule mesure dure environ 15 minutes, si bien qu'on y obtient au mieux qu'une image moyenne.» Ces mesures ont notamment débouché sur un résultat: en exploitation, la structure à la surface des particules se modifie. Le matériau devient en partie amorphe, ce qui veut dire que dans certaines zones, les atomes ne sont plus agencés de manière régulière. Ce résultat est inattendu dans la mesure où c'est précisément ce phénomène qui contribue à faire du matériau un meilleur catalyseur.

Utilisation à la plateforme ESI

Participer au développement de solutions technologiques pour l'avenir énergétique de la Suisse est l'un des principaux points forts de la recherche au PSI. Avec la plateforme ESI (pour «Energy System Integration»), le PSI met à disposition de la recherche et de l'industrie une plateforme d'essai où des solutions prometteuses peuvent être testées dans toutes leurs interactions complexes. Le nouveau catalyseur constitue ici une base importante pour le développement d'électrolyseurs d'eau de prochaine génération.

Texte: Institut Paul Scherrer /Paul Piwnicki

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 380 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Informations complémentaires:

La plateforme d'essai ESI, de nouvelles voies vers le système énergétique du futur: https://www.psi.ch/media/plateforme-esi

Publication originale:

Dynamic Surface Self-Reconstruction is the Key of Highly Active Perovskite Nano-Electrocatalysts for Water Splitting

Emiliana Fabbri, Maarten Nachtegaal, Tobias Binniger, Xi Cheng, Bae-Jung Kim, Julien Durst, Francesco Bozza, Thomas J. Graule, Robin Schäublin, Luke H. Wiles, Morgan Petroso, Nemanja Danilovic, Katherine Ayers, Thomas J Schmidt

Nature Materials 17 July 2017
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nmat4938

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