La séparation de l'eau de mer pourrait fournir une source inépuisable d'hydrogène vert

Peu de solutions climatiques sont sans inconvénients. L'hydrogène "vert", fabriqué en utilisant des énergies renouvelables pour séparer les molécules d'eau, pourrait alimenter les véhicules lourds et décarboner des industries telles que la sidérurgie sans cracher une bouffée de dioxyde de carbone. Mais parce que les machines de fractionnement de l'eau, ou électrolyseurs, sont conçues pour fonctionner avec de l'eau pure, l'augmentation de l'hydrogène vert pourrait aggraver les pénuries mondiales d'eau douce. Désormais, plusieurs équipes de recherche font état d'avancées dans la production d'hydrogène directement à partir de l'eau de mer, qui pourrait devenir une source inépuisable d'hydrogène vert.

"C'est la direction pour l'avenir", déclare Zhifeng Ren, physicien à l'Université de Houston (UH). Cependant, Md Kibria, chimiste des matériaux à l'Université de Calgary, affirme qu'il existe pour l'instant une solution moins coûteuse : alimenter en eau de mer des installations de dessalement capables d'éliminer le sel avant que l'eau ne s'écoule vers les électrolyseurs conventionnels.

Aujourd'hui, presque tout l'hydrogène est fabriqué en décomposant le méthane, en brûlant des combustibles fossiles pour générer la chaleur et la pression nécessaires. Les deux étapes libèrent du dioxyde de carbone. L'hydrogène vert pourrait remplacer cet hydrogène sale, mais il coûte actuellement plus du double, environ 5 dollars le kilogramme. Cela est dû en partie au coût élevé des électrolyseurs, qui reposent sur des catalyseurs fabriqués à partir de métaux précieux. Le Département américain de l'énergie a récemment lancé un effort d'une décennie pour améliorer les électrolyseurs et ramener le coût de l'hydrogène vert à 1 $ par kilogramme.

S'ils réussissent et que la production d'hydrogène vert monte en flèche, la pression pourrait s'accumuler sur les réserves mondiales d'eau douce. Générer 1 kilogramme d'hydrogène par électrolyse nécessite environ 10 kilogrammes d'eau. Selon l'Agence internationale des énergies renouvelables, faire fonctionner des camions et des industries clés à l'hydrogène vert pourrait nécessiter environ 25 milliards de mètres cubes d'eau douce par an, soit l'équivalent de la consommation d'eau d'un pays de 62 millions d'habitants.

L'eau de mer est presque illimitée, mais sa séparation pose ses propres problèmes. Les électrolyseurs sont construits un peu comme des batteries, avec une paire d'électrodes entourées d'un électrolyte aqueux. Dans une conception, les catalyseurs à la cathode divisent les molécules d'eau en ions hydrogène (H+) et hydroxyle (OH-). Les électrons en excès à la cathode assemblent des paires d'ions hydrogène en hydrogène gazeux (H2), qui bouillonne hors de l'eau. Les ions OH-, quant à eux, traversent une membrane entre les électrodes pour atteindre l'anode, où les catalyseurs transforment l'oxygène en oxygène gazeux (O2) qui est libéré.

Cependant, lorsque l'eau de mer est utilisée, la même secousse électrique qui génère de l'O2 à l'anode convertit également les ions chlorure de l'eau salée en chlore gazeux hautement corrosif, qui ronge les électrodes et les catalyseurs. Cela provoque généralement une défaillance des électrolyseurs en quelques heures seulement alors qu'ils peuvent normalement fonctionner pendant des années.

Maintenant, trois groupes font état d'efforts pour arrêter cette corrosion. Des chercheurs dirigés par Nasir Mahmood, un scientifique des matériaux à l'Université RMIT de Melbourne, ont rapporté dans le numéro du 8 février de Small qu'en enduisant leurs électrodes de composés chargés négativement tels que les sulfates et les phosphates, ils pouvaient repousser les ions chlorure chargés négativement et empêcher la formation de chlore gazeux. L'équipe du RMIT n'a signalé pratiquement aucune dégradation de ses électrodes pendant jusqu'à 2 mois, bien qu'elle n'ait généré qu'un filet d'hydrogène. Depuis lors, dans des travaux non publiés, les chercheurs ont renforcé leur configuration pour produire de l'hydrogène aussi rapidement que les électrolyseurs d'eau douce commerciaux, explique Mahmood.

Shizhang Qiao, un nanotechnicien à l'Université d'Adélaïde, et ses collègues ont apporté des modifications à un deuxième type d'électrolyseur qui utilise une membrane perméable uniquement aux ions H+. Cette configuration divise les molécules d'eau à l'anode au lieu de la cathode, arrachant les électrons pour libérer les ions H+. Les ions migrent à travers la membrane vers la cathode où ils se combinent avec des électrons pour former H2. Qiao et ses collègues ont recouvert leurs électrodes d'oxyde de chrome, qui a attiré une bulle d'ions OH- qui a repoussé les ions chlorure. L'appareil a divisé l'eau de mer pendant 100 heures à des courants élevés sans dégradation, rapportent-ils dans le numéro du 30 janvier de Nature Energy. "Je suis très heureux de voir une conception aussi intelligente", déclare Shou Chen, physicien des matériaux à l'UH.

Zongping Shao, ingénieur chimiste à l'Université de technologie de Nanjing, et ses collègues ont adopté une troisième approche pour repousser le chlorure. Ils ont entouré les électrodes de membranes qui ne laissent passer que la vapeur d'eau douce du bain d'eau de mer environnant. Lorsque l'électrolyseur convertit l'eau douce en hydrogène et en oxygène, il crée une pression qui attire plus de molécules d'eau à travers la membrane, reconstituant ainsi l'approvisionnement en eau douce. Dans le numéro du 30 novembre 2022 de Nature, Shao et ses collègues ont rapporté que leur installation avait fonctionné pendant 3200 heures sans aucun signe de dégradation. "C'est comme un processus de distillation interne", explique Haotian Wang, physicien appliqué à l'Université Rice

Les membranes qui filtrent le sel ressemblent à celles des usines de dessalement commerciales, qui sont déjà suffisamment efficaces pour produire de l'eau douce tout en n'ajoutant qu'environ 0,01 $ par kilogramme au coût de l'hydrogène vert. C'est pourquoi Kibria dit que jouer avec des électrolyseurs n'a pas autant de sens que de simplement rattacher des projets d'hydrogène vert à des usines de dessalement. "Nous n'avons pas besoin de réinventer la roue", dit-il. "C'est un problème résolu."

Mahmood n'est pas d'accord. Pour commencer, dit-il, le dessalement n'est pas une option prête pour les pays qui ne peuvent pas se permettre des projets d'investissement à grande échelle. De plus, dit-il, les électrodes résistantes à la corrosion peuvent également être utiles pour exploiter d'autres sources d'eau impure, telles que les eaux usées et l'eau saumâtre. "Nous devons continuer à travailler sur des technologies alternatives", dit-il.