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RÉSUMÉ
La réaction d’hydrolyse en présence de métaux est un moyen efficace de produire de l’hydrogène à la demande sans apport d’énergie extérieure ni émission de gaz à effet de serre. De par sa grande abondance et sa forte réactivité avec l’eau, le magnésium est un matériau de choix pour réaliser cette réaction. L'article dresse un tableau des caractéristiques clés de cette méthode de production de dihydrogène vert. Les techniques de préparation de réactifs et les mécanismes de réaction sont décrits. De plus, les méthodes d’analyse associées à la recherche de matériaux efficaces sont abordées. Enfin, des exemples d’application illustrent les opportunités offertes par cette technologie.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Manuel LEGRÉE : Doctorant, Université de Bordeaux - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, UMR5026, Bordeaux, France
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Jean-Louis BOBET : Professeur, Université de Bordeaux - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, UMR5026, Bordeaux, France
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Jocelyn SABATIER : Professeur, Université de Bordeaux - Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système, UMR5218, Bordeaux, France
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Fabrice MAUVY : Professeur, Université de Bordeaux - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, UMR5026, Bordeaux, France
INTRODUCTION
Enjeux géopolitiques, raréfaction des ressources, impacts environnementaux et changement climatique sont des sources de tensions de plus en plus importantes concernant l’approvisionnement en énergie et la gestion de celle-ci. Dans ce contexte, la diversification des procédés de production, de stockage et de distribution de l’énergie est essentielle. La recherche, le développement et l’implémentation de procédés assurant ces fonctions connaissent donc un essor important, en particulier dans la « filière hydrogène ». La molécule de dihydrogène (H2) constitue en effet un vecteur énergétique de grand intérêt puisque son cycle de production et de consommation peut se réaliser sans émission de gaz à effet de serre. Parmi les méthodes de synthèse du dihydrogène, celles issues de la décomposition des molécules d’eau H2O en H2 et O2 sont connues de longue date. L’énergie permettant cette dissociation est apportée par un courant électrique dans le cas de l’électrolyse. Dans le cas de l’hydrolyse, il n’y a pas d’apport énergétique autre que l’énergie chimique contenue dans le matériau utilisé pour la réaction. C’est cette seconde méthode qui fait l’objet de cet article. La réaction d’hydrolyse est réalisée avec des matériaux pouvant s’oxyder facilement (agents réducteurs, tels la plupart des métaux) ou libérer au contact de l’eau de l’hydrogène contenu dans leur structure (hydrures).
Parmi ces différents matériaux, le magnésium présente plusieurs intérêts majeurs : i) il est abondant dans la croûte terrestre, ii) il est peu coûteux, iii) il est très réactif avec l’eau, iv) il peut former l’hydrure MgH2, ce qui permet de doubler la quantité de H2 produite et donc la densité d’énergie et v) il est sans danger pour la santé et l’environnement. Le contrôle de la réaction d’hydrolyse en présence de magnésium permet aussi de produire de l’hydrogène à la demande, sous pression contrôlée et sans apport d’énergie.
Après une mise en contexte du procédé d’hydrolyse avec des matériaux à base de magnésium, une description des types de réactifs utilisés ainsi que le travail lié à l’optimisation de la réaction sont présentés. Dans une seconde partie, les méthodes utiles à la caractérisation des réactifs utilisés pour l’hydrolyse sont abordées. Enfin, un tour d’horizon des applications du procédé sera présenté avant de conclure.
Domaine : Technique de production d’hydrogène
Degré de diffusion de la technologie : Maturité
Technologies impliquées : Pile à combustible
Domaines d’application : Production d’énergie délocalisée, mobilité légère
Principaux acteurs français :
Centre de compétence : ICMCB
Industriels : Pragma industrie, FLECS Hynnovation
Autres acteurs dans le monde : CNEA Bariloche, Argentine ; IFAM Dresde, Allemagne
Contact : [email protected] ; [email protected] ; [email protected] ; [email protected] ; https://www.icmcb-bordeaux.cnrs.fr/
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Méthodes de caractérisation pour la recherche sur l’hydrolyse
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2. Préparation des réactifs
La réaction d’hydrolyse de l’eau en présence de Mg est spontanée et très exothermique (ΔH = – 354 kJ · mol–1) mais la cinétique associée est limitée par la formation de l’hydroxyde Mg(OH)2 à la surface du métal . Cette couche protège le cœur du matériau et limite ainsi l’avancement de la réaction. Des stratégies visant à optimiser les réactifs pour maximiser le rendement et la vitesse de production ont été développées, pour les applications de production de dihydrogène à la demande, où un rendement élevé et une génération rapide sont nécessaires pour répondre à une brusque demande en H2.
2.1 Réaction d’hydrolyse en solution aqueuse
D’après le diagramme de Pourbaix du Mg (figure 1), la réaction d’hydrolyse peut être réalisée à pH neutre, ce qui est un atout de sécurité, de simplicité et de coût. Cependant, au cours de la réaction, des ions hydroxyles OH– se forment, ce qui augmente le pH de la solution à proximité de la surface du métal. Lorsque cette basification locale est suffisamment importante (pH proche de 12), l’hydroxyde de magnésium Mg(OH)2 est stable, et tend à former une couche de protection à la surface du Mg, empêchant la poursuite de la réaction. Ainsi, le contrôle du pH est un paramètre clé de l’avancement de la réaction. Une solution acide permet d’augmenter la quantité de Mg réagissant avant...
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Préparation des réactifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HOLLADAY (J.D.), HU (J.), KING (D.L.), WANG (Y.) - An overview of hydrogen production technologies. - Catal. Today, 139, p. 244-260 (2009).
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(2) - DAWOOD (F.), ANDA (M.), SHAFIULLAH (G.M.) - Hydrogen production for energy: An overview. - Int. J. Hydrogen Energy, 45, p. 384763869 (2020).
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(3) - DE LEVIE (R.) - The electrolysis of water. - J. Electroanal. Chem., 476, p. 92-93 (1999).
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(4) - RASHID (M.M.), AL MESFER (M.K.), NASEEM (H.), DANISH (M.) - Hydrogen Production by Water Electrolysis: A Review of Alkaline Water Electrolysis, PEM Water Electrolysis and High Temperature Water Electrolysis. - Int. J. Eng. Adv. Technol., 4(3), p. 80 (2015).
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(5) - ZENG (K.), ZHANG (D.) - Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. - Prog. Energy Combust. Sci., 36, p. 307-326 (2010).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Laboratoires - Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux http://www.icmcb-bordeaux.cnrs.fr
TechnoShop « Coh@bit » http://www.iut.u-bordeaux.fr/technoshop/
Institut Fraunhofer https://www.fraunhofer.de/en.html
CNEAM, Bariloche, Argentine http://fqm.cab.cnea.gov.ar
LGPFIM, Xi’an, Chine http://en.sust.edu.cn
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