Comprendre comment un catalyseur à base d’acier au nickel s’active suffisamment pour remplacer l’oxyde d’iridium utilisé pour l’électrolyse alcaline : c’est la prouesse réalisée par deux chercheurs du Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (CNRS, Grenoble INP - UGA, UGA, USMB) et du laboratoire Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (CNRS, UGA, Grenoble INP - UGA). Leurs travaux ont fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Materials.
« A l’origine, nous cherchions à développer des catalyseurs sans métaux nobles pour l’anode, où a lieu la réaction de dégagement d’oxygène, pour remplacer l’oxyde d’iridium, rare sur Terre et très coûteux. Nous avons commencé par nous intéresser à des catalyseurs à base d’oxydes de cobalt déposés sur un substrat d’acier, qui, en plus d’être un bon conducteur électronique, est produit en grande quantité et a une bonne robustesse en milieu alcalin », relate Marian Chatenet, co-auteur de ce travail, « mais cela a été une catastrophe : les dépôts de cobalt n’adhéraient pas à l’acier et finissaient par partir. »
Formation spontanée d'une couche active efficace
Mais un jour, en poussant un test pour étudier la réaction à long terme, ils ont constaté un regain de performance, à partir du moment où les dépôts d’oxyde de cobalt étaient tous partis. « C’est en effet le moment où l’acier peut commencer à s’activer, et agir comme un catalyseur, en formant spontanément une couche passive stable en surface, grâce au nickel présent dans l’acier. Ce dernier se transforme en oxohydroxydes de nickel, dopés avec le fer de l'acier ».
Les chercheurs ont ensuite testé différents types d’alliages pour identifier le plus performant. « Ce ne sont pas tous des aciers à proprement parler puisqu’un acier est composé principalement de fer, avec 10 à 15% de chrome. Or de notre côté, nous avons balayé très large dans les nuances testées, allant de 70% à 1% de fer », précise le spécialiste.
Ils se sont ainsi aperçus que sur le long terme, lorsqu’on laisse le matériau évoluer dans les conditions de dégagement d’oxygène en milieu alcalin, quelle que soit sa composition initiale, son état de surface initial (brut, tréfilage, laminage, polissage) et la taille des grains, l'évolution menait toujours vers le même type de couche active, d’oxohydroxydes de nickel, avec trois atomes de nickel pour un atome de fer. « Il y a cependant des alliages qui arrivent plus vite à cette stabilité que d’autres, généralement les alliages avec une base de nickel, où l’on a une composition initiale plus proche du rapport trois nickel pour un fer », indique Marian Chatenet.
Une implémentation rapide possible
Les meilleures performances obtenues par les chercheurs pour la réaction de dégagement d'hydrogène avec leur catalyseur à base d'acier au nickel dépassent celles atteintes par les catalyseurs commerciaux à oxyde d'iridium.
Les matériaux du catalyseurs, essentiellement fer et nickel, étant courants, leur implémentation dans un électrolyseur alcalin classique pourrait être quasiment immédiate, selon le spécialiste, « même si nous n’en avons pas encore fait la démonstration avec un pilote ».
