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Un miracle sans catalyseurs à base de métaux précieux : comment l'électrolyse AEM permet-elle une production d'hydrogène rentable ?
Alors que la demande mondiale en énergie renouvelable augmente, le potentiel de l’hydrogène en tant que source d’énergie propre a attiré beaucoup d’attention. Cependant, les méthodes traditionnelles de production d’hydrogène nécessitent souvent des catalyseurs à base de métaux précieux coûteux, ce qui limite dans une certaine mesure l’application généralisée de l’hydrogène. Récemment, l’essor de la technologie d’électrolyse à membrane échangeuse d’anions (AEM) a ouvert de nouvelles voies rentables pour la production d’hydrogène.
L'électrolyse AEM est une technologie qui utilise une membrane semi-perméable pour conduire les ions hydroxyde (OH−) afin de réaliser l'électrolyse de l'eau.
Avantages techniques
Le plus grand avantage de l’électrolyse AEM est qu’elle peut utiliser des catalyseurs à base de métaux de transition à faible coût au lieu de catalyseurs à base de métaux précieux coûteux. Cela contraste avec l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM), qui s’appuie sur des métaux rares tels que le platine et le ruthénium pour ses catalyseurs, ce qui rend la technologie PEM économiquement non viable. Par exemple, un électrolyseur PEM de 100 MW devrait nécessiter 150 kg de ruthénium, ce qui entraînerait un coût d’environ 7 millions de dollars.
Les électrodes de l'électrolyseur AEM peuvent fonctionner dans de l'eau pure ou dans des solutions légèrement alcalines (telles que 0,1-1M KOH/NaOH), ce qui réduit le risque de fuite.
Par rapport à la technologie traditionnelle d'électrolyse de l'eau alcaline (AWE), l'électrolyse AEM offre une plus grande flexibilité et améliore l'utilisation du catalyseur. Le rapport indique que la tension requise pour l'électrolyseur AEM lorsqu'il fonctionne sur une alimentation en eau pure sans catalyseurs en métaux précieux est de 1,8 volt, tandis que seulement 1,57 volt est requis lors de l'utilisation d'une solution KOH 1M. Cela montre que l’électrolyseur AEM présente de bonnes performances en matière d’efficacité énergétique.
Défis actuels
Bien que la technologie d'électrolyse AEM présente un grand potentiel, elle est encore confrontée à certains défis, notamment en termes de durabilité. Grâce à une étude de la littérature, il a été constaté que la durabilité des électrolyseurs AEM actuels en l'absence de catalyseurs en métaux précieux est principalement concentrée entre 2 000 heures et 7 000 heures. C'est relativement insuffisant par rapport à la durée de vie de 20 000 à 80 000 heures d'un électrolyseur PEM.
La technologie d'électrolyse AEM en est encore aux premiers stades de la recherche et du développement et manque de littérature par rapport à la technologie d'électrolyse PEM commerciale.
Outre les problèmes de durabilité, la stabilité chimique de l'AEM est également une préoccupation car il est très sensible aux attaques des ions hydroxyde. Par conséquent, les recherches futures doivent renforcer l’amélioration des matériaux membranaires et rechercher des conceptions AQE qui augmentent la conductivité et la résistance aux hautes températures.
Principes scientifiques
Le processus de réaction dans l'électrolyse AEM est tout aussi complexe. La réaction d'évolution de l'oxygène (OER) nécessite quatre électrons pour générer une molécule d'oxygène. Le processus en plusieurs étapes de cette réaction conduit à une barrière énergétique élevée, qui à son tour augmente la surtension nécessaire à la réaction. De plus, la cinétique de la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER) est plus lente dans les solutions alcalines que dans les solutions acides en raison de l'implication d'une étape supplémentaire de dissociation des protons dans les environnements alcalins.
Perspectives d'avenir
L’application réussie de la technologie d’électrolyse AEM nécessite non seulement un développement de matériaux améliorés, mais également une collaboration au sein de l’industrie pour résoudre les défis actuels. Dans ce processus, la recherche de catalyseurs appropriés et l’amélioration de la durabilité et de la stabilité de la membrane seront des facteurs clés.
La promotion d’une technologie de production d’hydrogène à faible coût et à haut rendement sera au cœur du développement futur de l’énergie durable.
Avec l’innovation continue de la technologie de production d’hydrogène, pouvons-nous compter sur la technologie d’électrolyse AEM pour remodeler le paysage énergétique mondial ?
