Des chercheurs en Chine créent un dispositif pour diviser directement l'eau de mer pour produire de l'hydrogène

Dec 12, 2023

Petmal/iStock

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Une équipe de recherche en Chine a mis au point un dispositif permettant de séparer l'eau de mer salée pour produire directement de l'hydrogène. L'appareil, un électrolyseur d'eau de mer à membrane, aide à résoudre les problèmes de réaction secondaire et de corrosion des méthodes traditionnelles.

L'équipe dirigée par Zongping Shao, professeur de génie chimique à l'Université technologique de Nanjing en Chine, a publié son étude dans la revue Nature et a affirmé que son modèle "a fonctionné pendant plus de 3 200 heures dans des conditions d'application pratiques sans échec".

La majeure partie de l'hydrogène produit aujourd'hui provient de sources de combustibles fossiles, ce qui peut augmenter considérablement l'empreinte carbone. "L'électrolyse électrochimique de l'eau salée utilisant des énergies renouvelables comme intrant est une méthode hautement souhaitable et durable pour la production de masse d'hydrogène vert, indique un communiqué.

Cependant, il y a un problème. Les propriétés de l'eau salée entraînent la corrosion des électrodes utilisées dans divers systèmes, les rendant souvent non viables. L'utilisation de revêtements de polyanions pour résister à la corrosion par des ions chlorure ou des électrocatalyseurs hautement sélectifs n'a pas suffisamment aidé pour les applications pratiques.

Un processus de dessalement peut résoudre le problème, "mais il nécessite un apport énergétique supplémentaire, ce qui le rend économiquement moins attractif". La taille des équipements impliqués dans le processus de dessalement rend également ces solutions moins flexibles.

Un électrolyseur se compose généralement de deux électrodes recouvertes de catalyseurs et une membrane sépare les composants constitutifs - l'hydrogène et l'oxygène. La formation de chlore gazeux hautement corrosif dans le processus entraîne une dégradation plus rapide des catalyseurs et des électrodes. Les ions magnésium et calcium présents dans l'eau de mer peuvent également obstruer les membranes. Ces facteurs diminuent l'efficacité globale et la durée de vie de ces dispositifs.

"Notre stratégie réalise une électrolyse directe de l'eau de mer efficace, flexible en taille et évolutive d'une manière similaire à la séparation de l'eau douce sans augmentation notable des coûts d'exploitation", a déclaré Shao à IEEE Spectrum.

L'équipe utilise une solution concentrée d'électrolyte d'hydroxyde de potassium pour tremper les électrodes, et une membrane poreuse aide à séparer la solution d'électrolyte de l'eau de mer. La membrane riche en fluor bloque l'eau liquide mais laisse passer la vapeur d'eau.

Au cours de l'électrolyse, l'eau dans la solution d'électrolyte est projetée dans ses composants constitutifs. Il en résulte une variation de pression entre l'électrolyte et l'eau de mer, provoquant l'évaporation de cette dernière. En même temps, l'eau passe à travers la membrane dans l'électrolyte et redevient de l'eau liquide, reconstituant le stock pour le cycle suivant.

"Il est important de noter que cette configuration et ce mécanisme promettent d'autres applications dans le traitement simultané des effluents à base d'eau et la récupération des ressources et la génération d'hydrogène en une seule étape."

Les chercheurs sont convaincus que leur appareil, en plus de produire de l'hydrogène, sera également capable de récupérer le lithium de l'eau de mer. D'autres applications du dispositif s'étendent à des activités telles que le nettoyage de l'eau douce industrielle.

Abstrait

L'électrolyse électrochimique de l'eau salée utilisant des énergies renouvelables comme intrant est une méthode hautement souhaitable et durable pour la production de masse d'hydrogène vert ; cependant, sa viabilité pratique est sérieusement remise en cause par une durabilité insuffisante en raison des réactions latérales des électrodes et des problèmes de corrosion résultant des composants complexes de l'eau de mer. Bien que l'ingénierie des catalyseurs utilisant des revêtements de polyanions pour supprimer la corrosion par les ions chlorure ou créant des électrocatalyseurs hautement sélectifs ait été largement exploitée avec un succès modeste, elle est encore loin d'être satisfaisante pour les applications pratiques. La séparation indirecte de l'eau de mer à l'aide d'un processus de pré-dessalement peut éviter les problèmes de réaction secondaire et de corrosion, mais elle nécessite un apport d'énergie supplémentaire, ce qui la rend économiquement moins attrayante. De plus, le système de dessalement volumineux indépendant rend les systèmes d'électrolyse d'eau de mer moins flexibles en termes de taille. Nous proposons ici une méthode d'électrolyse directe de l'eau de mer pour la production d'hydrogène qui résout radicalement les problèmes de réaction secondaire et de corrosion. Un système de démonstration a fonctionné de manière stable à une densité de courant de 250 milliampères par centimètre carré pendant plus de 3 200 heures dans des conditions d'application pratiques sans défaillance. Cette stratégie réalise une électrolyse directe de l'eau de mer efficace, flexible en taille et évolutive d'une manière similaire à la séparation de l'eau douce sans augmentation notable des coûts d'exploitation, et a un potentiel élevé d'application pratique. Il est important de noter que cette configuration et ce mécanisme promettent d'autres applications dans le traitement simultané des effluents à base d'eau et la récupération des ressources et la génération d'hydrogène en une seule étape.