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Posté par Michel le Mardi 30/10/2012 à 00:00
Production d'hydrogène: si le cobalt remplaçait le platine...
Des chercheurs du CEA, du CNRS et de l'Université Joseph Fourier, à Grenoble et à Saclay (1), ont mis au point deux nouveaux matériaux à base de cobalt capables de remplacer le platine, métal rare et cher, dans la production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) à partir d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (électrolyse). L'un peut fonctionner en solutions aqueuses de pH (2) neutre. Le second constitue le premier matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) catalytique "commutable" (3) et sans métaux nobles jamais créé capable d'intervenir dans les deux réactions chimiques essentielles à l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau: la production d'hydrogène et la production d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) de publications dans les revues Nature Materials et Nature Chemistry.

Les énergies renouvelables (soleil, vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...), etc.) sont des sources d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas utilisable directement, elle doit être transformée en une source d’énergie...) inégalement réparties sur le territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines. Dans le dictionnaire de géographie de...) et disponibles de manière intermittente. De ce fait, savoir stocker l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) produite paraît indispensable. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau constitue une solution prometteuse, mais elle requiert des catalyseurs contenant des métaux "nobles" comme le platine. La rareté et le coût de ces métaux sont des freins au développement économique de la filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.) hydrogène sur le long terme.

La chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) bio-inspirée se base sur des processus chimiques à l'œuvre chez certains organismes vivants. Ces organismes possèdent des systèmes enzymatiques, appelés hydrogénases, qui utilisent exclusivement des métaux peu coûteux et abondants dans la nature afin, soit d'utiliser l'hydrogène comme source énergétique, soit de produire de l'hydrogène à partir d'eau. Depuis plusieurs années, les chercheurs s'inspirent de ces enzymes pour élaborer de nouveaux catalyseurs moléculaires, sans platine, mais à base de métaux peu coûteux et abondants dans la nature (comme le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur est...), le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), le cobalt ou le manganèse).

Pour être utilisables dans des dispositifs technologiques, ces catalyseurs synthétiques doivent, comme le platine, être fixés en très grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) sur des électrodes présentant une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) disponible importante. En 2009, des équipes de chercheurs du CEA, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) Joseph Fourier ont réussi à immobiliser un de ces catalyseurs bio-inspirés, à base de nickel, sur des nanotubes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). Mais ce matériau n'est actif qu'en milieu fortement acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.). Or, l'électrolyse implique deux réactions: production d'hydrogène et production d'oxygène, et pour pouvoir s'affranchir du platine dans les deux cas, il faut pouvoir travailler dans des conditions de pH neutre à basique. En utilisant la même approche qu'en 2009, mais en développant un nouveau catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans...) bio-inspiré, à base de cobalt, les mêmes équipes viennent de franchir une nouvelle étape en obtenant un matériau capable de fonctionner dans des solutions aqueuses de pH neutre. L'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) catalytique obtenue s'avère extrêmement stable sur le long terme, la liaison du catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et...) aux nanotubes décuplant sa robustesse.

Les chercheurs sont allés plus loin et ont, en parallèle, mis au point (Graphie) un autre matériau, également à base de cobalt. Ce dernier est constitué de nanoparticules de cobalt enrobées d'un oxo-phosphate de cobalt. Ce matériau, qui fonctionne dans l'eau de pH neutre, est remarquable car il existe sous deux formes entre lesquelles il peut commuter et qui catalysent soit la production d'hydrogène (H2), soit l'autre réaction essentielle au processus d'électrolyse, à savoir la production d'oxygène (O2) à partir d'eau. Il s'agit du premier matériau catalytique "commutable" ou "Janus" (4) non basé sur des métaux nobles. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en s'affranchissant de platine, il est capable de catalyser de manière extrêmement stable la production d'hydrogène à partir d'eau de pH neutre.

Ces nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) à base de cobalt pourraient servir à développer des technologies stables et bon marché pour la production d'hydrogène, comme "solution" de stockage des énergies renouvelables. Les chercheurs travaillent actuellement à leur intégration dans un système global de photosynthèse artificielle, permettant de produire de l'hydrogène de manière totalement renouvelable, à partir d'eau et d'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du...).

Notes:

(1) Laboratoire de chimie et de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) des métaux (unité mixte CEA/CNRS/Université Joseph Fourier) - IRTSV (Institut de recherches en technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) et sciences pour le vivant) - Iramis (Institut rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) et matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) à Saclay) - CEA-Liten - CEA-Leti (DTBS, département des micro-technologies pour la biologie et la santé).

(2) Le pH permet de déterminer si une solution est acide, neutre ou basique.

(3) Ce matériau peut se transformer de manière réversible d'une forme chimique à une autre, chacune correspondant à une activité catalytique spécifique.

(4) Divinité romaine à deux visages.


Références:

E. S. Andreiadis, P.-A. Jacques, P. D. Tran, A. Leyris, M. Chavarot-Kerlidou, B. Jousselme, M. Matheron, J. Pécaut, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, Molecular Engineering of a Cobalt-based Electrocatalytic Nano-Material for H2 Evolution under Fully Aqueous Conditions, Nature Chemistry (2012) in press.
DOI: 10.1038/NCHEM.1481

S. Cobo, J. Heidkamp, P.-A. Jacques, J. Fize, V. Fourmond, L. Guetaz, B. Jousselme, R. Salazar, V. Ivanova, H. Dau, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, A Janus cobalt-based catalytic material for electro-splitting of water, Nature Materials 11 (2012) 802.
DOI: 10.1038/nmat3385


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Source: CNRS - CEA