Réduire l'utilisation du platine dans la production d'hydrogène
L'Université technique de Vienne (TU Wien) montre comment il est possible d'économiser jusqu'à 88 % du platine utilisé dans les électrolyseurs à hydrogène
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L'électrolyse de l'hydrogène est une technologie d'avenir majeure. Cependant, elle repose actuellement sur l'utilisation de quantités importantes de platine, un métal coûteux. De nouveaux résultats issus de l'Université technique de Vienne (TU Wien) montrent qu'une quantité bien moindre pourrait suffire.
Quelle doit être l'épaisseur de la couche de platine pour éviter qu'elle ne soit détruite ?
© TU Wien
L’hydrogène devrait devenir un vecteur énergétique majeur de l’avenir, en particulier pour les applications industrielles. Mais cela nécessite des technologies respectueuses du climat capables de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Le coût représente un défi majeur : l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (PEM) nécessite des composants capables de résister à des conditions hautement corrosives. Certains de ces composants sont recouverts de platine.
Des expériences menées à l’Université technique de Vienne (TU Wien) ont permis d’étudier de plus près les processus électrochimiques qui se produisent au sein de ces revêtements en platine. Les résultats montrent que, si le revêtement est correctement conçu, la quantité de platine nécessaire est nettement inférieure à celle couramment utilisée aujourd’hui. Cela pourrait réduire considérablement le coût de l’électrolyse.
La décomposition de l’eau par l’électricité
Le principe de base de l’électrolyse de l’eau est simple : un courant électrique est utilisé pour séparer les molécules d’eau. Au niveau d’une électrode, des molécules d’oxygène (O₂), des ions hydrogène chargés positivement (protons) et des électrons sont produits. Les protons migrent à travers une membrane vers la deuxième électrode, où ils se combinent avec les électrons pour former des molécules d’hydrogène (H₂).
La mise en œuvre technique est toutefois plus complexe. « L’électrolyse crée un environnement chimique qui endommage de nombreux composants métalliques. Le métal peut se dissoudre, tandis que des couches d’oxyde peuvent se former simultanément et entraver la circulation du courant électrique », explique Helmut Riedl-Tragenreif, de l’Institut des sciences et technologies des matériaux de l’Université technique de Vienne (TU Wien). « Pour que le système reste opérationnel à long terme, les différents composants doivent être soigneusement adaptés les uns aux autres. Les plaques bipolaires jouent ici un rôle particulièrement important, représentant jusqu’à 30 % du coût total du système. »
Ces plaques remplissent plusieurs fonctions à la fois : elles assurent la stabilité mécanique, conduisent le courant électrique et permettent le transport de l’eau et des gaz. Le titane est particulièrement adapté à cet usage car il présente une grande résistance à la corrosion, même dans des conditions agressives. Cependant, une couche d’oxyde se forme à la surface du titane, et cette couche entrave la circulation du courant.
C’est pourquoi ces plaques bipolaires sont recouvertes d’une fine couche de platine. Le platine conduit l’électricité, résiste à la corrosion et protège le titane sous-jacent. Jusqu’à présent, une question importante restait toutefois en suspens : quelle doit être l’épaisseur réelle de cette couche de platine ?
Cette question a fait l’objet d’une étude systématique à l’Université technique de Vienne (TU Wien). Le résultat est surprenant : dans les conditions étudiées, une couche de platine d’à peine 24 nanomètres d’épaisseur s’est avérée suffisante. En revanche, avec une épaisseur de huit nanomètres, des problèmes évidents sont apparus.
Par rapport à un revêtement de 200 nanomètres, tel qu’il est actuellement utilisé dans l’industrie, cela signifie qu’il serait potentiellement possible d’économiser environ 88 % du platine utilisé pour la couche protectrice. « Aujourd’hui, on utilise souvent des revêtements de platine de plusieurs centaines de nanomètres d’épaisseur. Nos résultats montrent à quel point le potentiel d’économies est important », explique Riedl-Tragenreif. Économiser du platine
Un cercle vicieux autodestructeur
Pour le démontrer, il ne suffit pas de produire un revêtement qui fonctionne dans un premier temps. Il faut également étudier dans quelle mesure il reste résistant dans des conditions de fonctionnement agressives. « Nous avons analysé les revêtements avant et après une sollicitation électrochimique à l’aide de méthodes à haute résolution », explique Mme Riedl-Tragenreif. « Une question particulièrement importante est de savoir si des défauts microscopiques apparaissent dans le revêtement. »
De tels défauts peuvent déclencher un cercle vicieux : si la couche protectrice de platine est endommagée à un endroit, le titane sous-jacent peut être attaqué. Le titane s’oxyde, et de petites bulles d’oxygène peuvent également se former à l’interface. Cela peut générer des contraintes mécaniques et endommager davantage le revêtement de platine. Des parties plus importantes du revêtement peuvent se détacher, exposant ainsi encore davantage de titane — et le processus s’accélère.
Pour la couche de platine de 8 nanomètres, les chercheurs ont en effet trouvé des indications claires de tels dommages : après une contrainte électrochimique, le revêtement présentait des défauts plus importants, tandis qu’une quantité nettement plus importante d’ions de titane et de platine avait été libérée dans l’électrolyte.
Le revêtement de 24 nanomètres, en revanche, est resté en grande partie intact dans les conditions étudiées et a conservé sa bonne conductivité électrique. La libération d’ions métalliques a pu être maintenue à un niveau très faible.
« L’épaisseur de revêtement véritablement optimale dépend de nombreux facteurs, notamment de la technique de fabrication et de l’uniformité du revêtement. Mais ce que nous avons clairement démontré, c’est qu’il existe un potentiel considérable de réduction de la consommation de platine dans les électrolyseurs. Du point de vue de la science des matériaux, les épaisseurs de revêtement couramment utilisées aujourd’hui ne sont pas nécessairement indispensables », explique Riedl-Tragenreif.
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