Faciliter la production d'hydrogène en combinant urée et électrodes au silicium

À grande échelle, l'utilisation de l'hydrogène comme carburant se heurte à un verrou fort : la quantité d'énergie qu'exige l'électrolyse pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène (cette dernière réaction étant la plus énergivore). En chargeant l'eau avec de l'urée et en réalisant l'électrolyse avec des électrodes métal-isolant-semiconducteur éclairées, les chimistes rennais de l'ISCR sont parvenus à abaisser d'un quart la tension nécessaire à la réaction. Publication dans Nature Communications (6 août 2019).

Test de la réaction en petites cuves. Au centre, l’électrode M-I-S est éclairée par un simulateur solaire. Phoo A. Vettoretti
  1. Diminuer la consommation d'énergie nécessaire à l'oxydation de l'eau
  2. Des électrodes moins énergivores lorsqu’elles sont éclairées
  3. Collaboration entre chimistes et physiciens rennais
  4. Référence

Diminuer la consommation d'énergie nécessaire à l'oxydation de l'eau

À l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), le chercheur CNRS Gabriel Loget et ses collègues de l'équipe MaCSE se sont concentrés sur l’étude de cette contrepartie de la libération de l'hydrogène par l'électrolyse. Ils ont testé une réaction dans une eau chargée en urée. Et cela consomme beaucoup moins d’énergie : l'abaissement du potentiel se chiffre à 200 millivolts (mV), sachant qu’avec les électrolyseurs présents dans le commerce, la réaction demande environ 2 volts pour démarrer.
 

Gabriel Loget et l’une des électrodes au silicium utilisées dans cette étude - © A. Vettoretti

À terme, cette utilisation de l’urée pourrait aussi offrir une piste de valorisation pour l’urine, déchet abondant et riche en urée.

Des électrodes moins énergivores lorsqu’elles sont éclairées

« L’oxydation de l’urée n’avait jusqu’ici pas été montrée sur du silicium », souligne Gabriel Loget

Pour ces travaux, les chimistes rennais ont utilisé, pour l’anode, une électrode à base de silicium. Il s’agit plus précisément d’une électrode de type « métal – isolant – semiconducteur » (MIS), qui est un dispositif de base en électronique, facile à fabriquer pour des applications futures. Ces électrodes présentent l’intérêt d’abaisser le besoin en énergie de la réaction. Elles ont un fonctionnement comparable à des panneaux photovoltaïques : lorsqu’on les éclaire, la réaction nécessite moins d’énergie. Leur utilisation permet d’abaisser le potentiel de ~300 mV supplémentaires. Au total, en combinant l’urée avec ces surfaces à base de silicium, les chimistes obtiennent une réduction d’un demi-volt !

«  Nous utilisons un simulateur solaire pour comparer les performances avec d’autres laboratoires, et ce quelle que soit la météo », explique le chercheur.

Photoélectrolyse de l'eau et de l'urée - © G. Loget et al.

Collaboration entre chimistes et physiciens rennais

Pour l’instant, la production d’hydrogène par cette méthode ne dure que quelques minutes. En effet, le catalyseur de nickel présent sur l’électrode est rapidement « pollué », empêchant la réaction de se poursuivre.

Pour comprendre le phénomène, Gabriel Loget a fait appel à deux physiciennes de l’Institut de Physique de Rennes (IPR). Soraya Ababou-Girard, maître de conférences de l’Université de Rennes 1, et sa collègue Cristelle Mériadec, ingénieure d’études CNRS, ont cherché à identifier les éléments présents sur les surfaces des électrodes, par spectrométrie de photoélectrons (XPS ou "X-ray photoemission spectroscopy"). Cette technique peu utilisée en France, nécessite de coûteux équipements et des compétences de travail en ultra-vide.

L’ultra-vide permet de garder les pièces étudiées propres et exemptes de pollution au moins une journée, pour pouvoir mesurer des quantités très faibles d’éléments situés en surface des échantillons à analyser (à l’échelle de quelques nanomètres). Cela permet aussi de distinguer des éléments oxydés, par exemple de donner la proportion de nickel oxydé parmi le nickel présent sur l’électrode.

En étudiant la surface de l’électrode avant et après réaction, les physiciennes ont contribué à comprendre le comportement du catalyseur au cours de la réaction, et ainsi donner des clés aux chimistes pour améliorer encore leur méthode de production d’hydrogène.

Référence

Tailoring the photoelectrochemistry of catalytic metal-insulator-semiconductor (MIS) photoanodes by a dissolution method
G. Loget, C. Mériadec, V. Dorcet, B. Fabre, A. Vacher, S. Fryars & S. Ababou-Girard
Nat. Commun. 10, 3522 (2019) doi:10.1038/s41467-019-11432-1

[D'après un texte rédigé par Alice Vettoretti - Plume & Sciences