Production d'hydrogène et caractérisation des piles à combustible à hydrogène - Applications d'adsorption de gaz

L’énergie hydrogène est l’énergie propre qui conduit à la transformation de l’énergie fossile traditionnelle en énergie verte. Sa densité énergétique est 3 fois celle du pétrole et 4,5 fois celle du charbon ! C’est l’orientation technologique disruptive de la future révolution énergétique. La pile à combustible à hydrogène est le moyen clé pour réaliser la conversion de l'énergie hydrogène en énergie électrique, et les pays du monde entier attachent une grande importance au développement de la technologie des piles à combustible à hydrogène. Cela a mis en avant des exigences plus élevées en matière de matériaux, de technologie de processus et de moyens de caractérisation de la chaîne industrielle de l'hydrogène, de l'énergie et des piles à combustible à hydrogène. La technologie d’adsorption de gaz est l’une des méthodes importantes pour la caractérisation de la surface des matériaux et joue un rôle crucial dans l’utilisation de l’énergie hydrogène, principalement dans les piles à combustible à hydrogène.

 

Application de la technologie d'adsorption de gaz pour la caractérisation dans l'industrie de production d'hydrogène.

La production d'hydrogène est la première étape dans l'exploitation de l'énergie hydrogène. La production d’hydrogène à partir d’eau électrolytique avec un gaz de haute pureté, à faible teneur en impuretés et facile à combiner avec des sources d’énergie renouvelables est considérée comme l’approvisionnement en énergie d’hydrogène vert le plus prometteur à l’avenir [1].

Pour améliorer l’efficacité de la production d’hydrogène à partir de l’eau électrolytique, le développement et l’utilisation de catalyseurs à électrodes HER hautes performances constituent une méthode éprouvée. 

Les matériaux carbonés poreux représentés par le graphène possèdent d'excellentes propriétés physicochimiques, telles qu'une structure de pores riche, une grande surface spécifique, une conductivité électrique élevée et une bonne stabilité électrochimique, qui ouvrent de nouvelles opportunités pour la construction de systèmes catalytiques composites efficaces. La capacité de précipitation de l'hydrogène est améliorée grâce au chargement de co-catalyseurs ou au dopage hétéroatomique [2].

 

De plus, un grand nombre d'études ont montré que l'activité catalytique des catalyseurs d'électrodes HER dépend en grande partie du nombre de sites actifs exposés à leurs surfaces et que plus il y a de sites actifs exposés, meilleures sont leurs performances catalytiques correspondantes. La plus grande surface spécifique du matériau carboné poreux, lorsqu'il est utilisé comme support, exposera dans une certaine mesure davantage de sites actifs au matériau actif et accélérera la réaction de production d'hydrogène.

 

Voici des exemples de caractérisation de matériaux graphènes à l'aide de l'analyseur de surface spécifique et de taille de pores CIQTEK V-Sorb X800.  De la figure 1, on peut voir que la surface du graphène préparé par différents procédés présente une grande différence de 516,7 m2/g et 88,64 m2/g, respectivement. Les chercheurs peuvent utiliser les résultats du test de surface spécifique pour juger de l’activité catalytique de base, ce qui peut fournir une référence correspondante pour la préparation de catalyseurs composites.

 

  Fig. 1 Résultats des tests de la surface spécifique du graphène synthétisé par différents procédés

 

De plus, de nombreux chercheurs ont amélioré l’activité électrocatalytique de la production d’hydrogène à partir de l’eau électrolytique en combinant des phosphures de métaux de transition, tels que le phosphure de cobalt, avec des matériaux carbonés présentant une surface spécifique élevée. Comme le montre la figure 2, en chargeant du phosphure de cobalt sur des matériaux carbonés poreux, la surface spécifique des composites carbone/phosphure de cobalt peut être conclue jusqu'à 195,44 m2/g d'après les résultats des tests BET. La surface spécifique élevée peut fournir des sites plus actifs en contact avec l'électrolyte, et en même temps, en raison de l'énergie modérée d'adsorption et de dissociation de l'oxygène/hydrogène, elle présentera alors une excellente activité électrocatalytique.

 

  Fig. 2 Résultats des tests de surface spécifique des composites carbone/phosphure de cobalt

 

 

Application de la technologie d'adsorption de gaz pour la caractérisation dans l'industrie des piles à combustible à hydrogène

 

La pile à combustible à hydrogène est un dispositif de production d'énergie qui utilise l'hydrogène comme carburant et convertit l'énergie chimique du carburant directement en électricité par une réaction électrochimique, ce qui présente les avantages d'une efficacité de conversion d'énergie élevée, de zéro émission et d'absence de bruit.

 

Les recherches actuelles sur les piles à combustible à hydrogène se concentrent sur l’attaque de technologies telles que les membranes échangeuses de protons, les électrocatalyseurs et les plaques bipolaires. Dans une pile à combustible à hydrogène, une membrane échangeuse de protons (PEM) idéale sépare complètement la chambre remplie d’hydrogène de la chambre de combustion remplie d’oxygène, ne laissant passer que les protons seuls. L'isolation par membrane échangeuse de protons des piles à combustible à hydrogène couramment utilisée actuellement n'est pas suffisamment bonne, ce qui peut mélanger partiellement l'hydrogène combustible avec le comburant et ainsi altérer les performances électrochimiques de la pile à combustible à hydrogène.

 

Ces dernières années, l'étude des PEM formés par le composite de MOF poreux et de polymères a reçu beaucoup d'attention, dans laquelle la structure du MOF peut être modifiée par certains composés qui facilitent la conduction protonique, puis les matériaux à base de MOF formés sont ensuite fabriqués. en membranes hybrides à base de polymères. La surface spécifique élevée du MOF peut également accueillir davantage de porteurs de protons, ce qui offre la possibilité d'augmenter la conductivité protonique des membranes composites. De plus, la riche structure poreuse du MOF facilite la construction de réseaux de liaisons hydrogène dans ses pores en tant que voie efficace pour le transport des protons, ce qui augmente la mobilité des protons actifs [3].

 

La figure 3 montre un exemple de caractérisation de composites MOF à l'aide de l'analyseur de surface spécifique et de taille de pores développé par GSI, série V-Sorb X800.

 

  Figure 3 (a) Résultats du test BET ; (b) Isotherme d’adsorption-désorption N2

 

La figure 3 (a) montre le BET des composites MOF à 1 242,58 m2/g. Figure 3 (b) Les isothermes d'adsorption-désorption de N2 sont proches des isothermes de classe I, indiquant une structure microporeuse plus abondante. En combinaison avec l'analyse du diagramme de distribution de la taille des pores, la figure 4 (a) montre qu'il n'y a pas de tendance évidente de distribution concentrée dans le diagramme de distribution de la taille des pores BJH, ce qui indique qu'il n'y a pas de distribution concentrée de la taille des pores mésoporeux. Sur la figure 4 (b), la distribution de la taille des pores SF montre qu'il existe une distribution concentrée de micropores proche de 0, 57 nm, ce qui indique que la taille de pore la plus disponible est de 0, 57 nm.

 

  Figure 4 (a) Distribution de la taille des pores d'adsorption BJH ; (b) Distribution de la taille des pores par adsorption SF

 

De plus, dans l’empilement de piles à combustible à hydrogène, le processus de réaction d’oxydation de l’hydrogène et de réduction de l’oxygène au niveau de l’électrode est principalement contrôlé par le catalyseur. Le catalyseur est le principal facteur affectant la polarisation d'activation des piles à combustible à hydrogène et est considéré comme un matériau clé pour les piles à combustible à hydrogène, qui détermine les performances globales et l'économie de l'utilisation des véhicules à pile à combustible à hydrogène [4]. Le platine est l’un des catalyseurs les plus couramment utilisés pour les piles à combustible, mais son coût plus élevé limite son utilisation à grande échelle. Le même matériau carboné poreux représenté par le graphène peut également être utilisé comme support d’électrocatalyseur pour les piles à combustible à hydrogène. Chargé de catalyseurs sans platine sur sa surface, son efficacité catalytique pour la production d'hydrogène peut atteindre ou dépasser celle des catalyseurs conventionnels à base de platine, contribuant ainsi à étendre l'application des piles à combustible à hydrogène.

 

 

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Analyseur automatique de surface et de porosimétrie BET CIQTEK La série CIQTEK EASY-V adopte le principe de test de la méthode de volume statique, avec un fonctionnement entièrement automatisé, une interface de fonctionnement humanisée et facile à apprendre.

Les références:

[1] Wang P, Qi J, Chen X et al. Réseaux tridimensionnels hétérostructurés de doubles couches d'hydroxyde NiCoP @ NiMn supportés sur de la mousse de Ni en tant qu'électrocatalyseur bifonctionnel pour la division globale de l'eau [J]. Matériaux et interfaces appliqués ACS, 2019, 12(4) : 4385-4395.

[2] Huang H, Shi H, Das P et al. La chimie et les applications prometteuses du graphène et des matériaux poreux en graphène [J]. Matériaux fonctionnels avancés, 2020, 30(41) : 1909035.

[5] Chen J, Mei Q, Chen Y et al. Conduction protonique hautement efficace dans le matériau de structure métal-organique MFM-300 (Cr)· SO4 (H3O) 2[J]. Journal de l'American Chemical Society, 2022, 144(27) : 11969-11974.

[6] Liu, Yingdu, Guo, Hongxia, Ouyang, Xiaoping. État actuel et perspectives futures du développement de la technologie des piles à combustible à hydrogène[J]. Sciences de l'ingénierie en Chine, 2021.