Depuis 2020, le groupe Catalyse Hétérogène & Chimie Durable de l’Institut Van ‘t Hoff pour les Sciences Moléculaires de l’UvA travaille sur l’utilisation de sels de borohydrure de métal alcalin comme futurs transporteurs d’hydrogène. Ces sels solides peuvent être stockés en toute sécurité dans l’air dans des conditions ambiantes et ne libèrent de l’hydrogène gazeux que lorsqu’ils réagissent avec l’eau. Cependant, le contrôle de la libération d’hydrogène, et donc la prévention des réactions d’emballement, est un défi. Une solution consiste à stabiliser la solution avec une base et à contrôler la libération d’hydrogène en utilisant un catalyseur. L’équipe UvA, dirigée par le professeur Gadi Rothenberg, développe de tels catalyseurs en collaboration avec le centre de compétence autrichien pour la tribologie (AC2T) et la société Electriq Global.

L’hydrogène détruit les particules de catalyseur

Trouver des catalyseurs potentiels est facile, mais les faire fonctionner suffisamment longtemps pour être commercialement viables ne l’est pas. La combinaison d’un pH de réaction élevé et d’une libération continue de bulles d’hydrogène détruit les catalyseurs traditionnels en quelques jours. Par exemple, l’équipe a réussi à concevoir des particules de catalyseur hautement actives et sélectives contenant du cobalt. L’activité élevée, cependant, se traduit par des volumes élevés d’hydrogène qui détruisent rapidement les particules.

La percée a eu lieu lors d’une soi-disant expérience du vendredi après-midi lorsque l’étudiant à la maîtrise Jeffrey Jonk et l’étudiant au doctorat Fran Pope ont décidé d’essayer d’encapsuler des particules de cobalt dans des sphères de chitosane. Le chitosane est un polymère naturel qui peut être produit à partir de la chitine, principal composant des exosquelettes d’insectes et des carapaces de crustacés. Il s’agit d’un matériau biodégradable et biocompatible largement disponible à l’échelle de plusieurs tonnes, produit principalement à partir de déchets de crevettes et de carapaces de crabe.

Les groupes amine récurrents sur le squelette du chitosane le rendent très soluble dans les solutions aqueuses acides mais peu soluble dans les solutions basiques. Les sphères de chitosane peuvent donc être produites relativement facilement en laissant tomber le chitosane liquide dans une solution basique. Une propriété cruciale des sphères de chitosane est leur flexibilité qui leur permet de se dilater lors de la génération d’hydrogène. Ils peuvent ainsi « expirer » les bulles d’hydrogène sans éclater. Et comme ils sont fabriqués à pH élevé, la basicité de la solution de borohydrure ne pose aucun problème.

Potentiel réel des catalyseurs à base de chitosane

L’équipe a testé les nouveaux catalyseurs en modes batch et continu, en surveillant les réactions en mesurant le débit d’hydrogène généré. Quelques sphères de taille millimétrique chargées de 7 % de cobalt ont suffi à générer 40 ml d’hydrogène par minute dans un réacteur continu pendant deux jours, montrant le potentiel réel de ce nouveau catalyseur.

Selon Rothenberg, les travaux mettent en évidence l’importance de la stabilité des catalyseurs en tant qu’axe de recherche. « De nombreux articles se concentrent sur l’activité et la sélectivité, car les revues se concentrent désormais sur la publication de résultats spectaculaires », dit-il. « Pourtant, si vous regardez l’industrie chimique, aucun de ces catalyseurs « spectaculaires » n’est utilisé dans la pratique. La raison en est que faire fonctionner une réaction réussie pendant quelques heures, voire quelques jours, ne signifie rien pour les processus à grande échelle. Un vrai catalyseur doit fonctionner pendant des mois et des années pour être économiquement viable. Nous n’en sommes pas encore là. »

L’hydrogène est peut-être le vecteur énergétique du futur, mais il s’accompagne de ses propres défis. Lorsqu’il est stocké sous forme de gaz comprimé ou sous forme liquide, l’hydrogène moléculaire, H₂, est très énergivore. Ceci est un avantage dans certaines applications, mais un problème de sécurité dans d’autres. Pour le stockage et la libération à moyenne échelle sur des installations mobiles, telles que des grues, des navires et des générateurs, d’autres modes de stockage de l’hydrogène sont préférables. Il existe de nombreuses formes de transporteurs d’hydrogène. Les exemples de capacité de stockage d’hydrogène élevée incluent l’ammoniac, le méthanol, l’acide formique et autres. Pourtant, chacun a ses avantages et ses inconvénients. Le méthanol a une capacité élevée (12,5% en poids) mais la déshydrogénation nécessite des températures élevées et peut également émettre du CO₂. L’ammoniac peut contaminer le H₂ flux générés, et est un gaz toxique lui-même dans les conditions ambiantes. Comme alternative, les borohydrures alcalins peuvent fournir une source sûre d’hydrogène, en le liant chimiquement sous forme de sel solide. Une réaction avec l’eau libère l’hydrogène et le sous-produit de sel de métaborate résultant peut être retraité et réutilisé pour le stockage de l’hydrogène.