Avec l’essor des énergies renouvelables et des véhicules électriques, les voitures à hydrogène suscitent un intérêt croissant. Le professeur Mengjing Li, professeur assistant au département de physique appliquée de l’Université polytechnique de Hong Kong, qui se consacre à l’étude de l’ammoniac comme vecteur d’hydrogène, a récemment développé un catalyseur efficace et à faible coût qui pourrait faciliter la mise en pratique des véhicules à hydrogène.
La transition mondiale vers une énergie durable a propulsé les véhicules à hydrogène au premier plan des solutions de transport propres. Alors que les gouvernements et les industries s’engagent à décarboner la mobilité, les véhicules à pile à combustible à hydrogène gagnent en popularité grâce à leur efficacité énergétique élevée et leurs émissions nulles. Cependant, l’adoption généralisée des voitures à hydrogène dépend non seulement du développement de la technologie des piles à combustible, mais aussi du stockage et de la libération sûrs, efficaces et économiques de l’hydrogène lui-même.
Le professeur Li et son équipe de recherche explorent l’utilisation de l’ammoniac comme vecteur de carburant à hydrogène et étudient la stabilité du stockage de l’hydrogène pour promouvoir l’adoption des véhicules à hydrogène. Leurs résultats, publiés dans la revue Advanced Materials, présentent un catalyseur efficace et peu coûteux pour favoriser la réaction de production d’hydrogène.
Lorsqu’il est utilisé dans les piles à combustible, l’hydrogène (H₂) réagit avec l’oxygène (O₂) pour produire de l’électricité, avec de l’eau (H₂O) comme seul sous-produit. Cette réaction offre une alternative très attrayante à la combustion de combustibles fossiles, promettant des avantages environnementaux et opérationnels. Cependant, la faible densité volumique de l’hydrogène et les défis liés à son stockage et à son transport ont longtemps été considérés comme des obstacles majeurs à son application pratique.
Parmi les stratégies proposées, les vecteurs chimiques comme l’ammoniac (NH₃) sont devenus des solutions prometteuses. L’ammoniac bénéficie d’une infrastructure de production et de transport bien établie, d’une densité d’hydrogène élevée et de la capacité à libérer de l’hydrogène sans produire d’oxydes de carbone. Ainsi, la décomposition de l’ammoniac en azote (N₂) et hydrogène (H₂) est une réaction clé pour la production d’hydrogène à bord des véhicules à pile à combustible.
Bien que la technologie de décomposition de l’ammoniac soit prometteuse, son application pratique est confrontée à un obstacle majeur : la dépendance aux catalyseurs à base de ruthénium (Ru). Les catalyseurs à base de ruthénium sont très efficaces pour la décomposition de l’ammoniac à basse température, mais leur rareté et leur coût élevé limitent leur utilisation à grande échelle. Cela a incité des recherches mondiales pour trouver des catalyseurs alternatifs basés sur des métaux non précieux abondants sur Terre.
Le cobalt (Co), grâce à son énergie de liaison au nitrogène favorable et à sa moindre sensibilité à l’empoisonnement du catalyseur par rapport à d’autres métaux de transition, est devenu un candidat particulièrement attractif. Cependant, les catalyseurs traditionnels à base de cobalt nécessitent généralement des températures élevées (>600°C) pour atteindre un rendement en hydrogène satisfaisant, ce qui limite leur utilisation dans les applications mobiles où l’efficacité énergétique et la conception compacte des réacteurs sont essentielles.
Pour relever ces défis, les recherches récentes se sont concentrées sur des stratégies innovantes de conception de catalyseurs pour améliorer l’activité à basse température des systèmes à base de cobalt. L’une des approches consiste à concevoir une contrainte de réseau à l’interface catalyseur-support pour ajuster la structure électronique des sites actifs, optimisant ainsi leur interaction avec les réactifs. S’inspirant des avancées en ingénierie des contraintes dans d’autres systèmes catalytiques, l’équipe du professeur Li a développé une nouvelle classe de catalyseurs à structure noyau-coque, illustrée par la structure hétérogène Co@BaAl₂O₄₋ₓ.
Les tests de performance du catalyseur Co@BaAl₂O₄₋ₓ ont montré une activité remarquable pour la décomposition de l’ammoniac à des températures modérées. Dans des conditions de vitesse spatiale élevée, le taux de production d’hydrogène de ce catalyseur atteint 64,6 mmol H₂ gcat⁻¹ min⁻¹, avec une conversion presque complète de l’ammoniac entre 475°C et 575°C. Ces résultats sont comparables, voire supérieurs, à ceux de nombreux catalyseurs à base de ruthénium, sans les contraintes de coût et d’approvisionnement associées.
Des techniques de caractérisation avancées, telles que la spectroscopie d’absorption des rayons X par synchrotron et la microscopie électronique, ont confirmé la formation d’une structure noyau@coque bien définie et la présence de substances azotées à l’interface après la réaction, soulignant le rôle clé de la structure hétérogène dans la promotion du processus catalytique.
