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In a Korean laboratory, a sheet of nickel and cobalt is doing a job that platinum has done for decades. The electrode splits water into hydrogen and oxygen, and the team at the Korea Institute of Energy Research (KIER) says it does so for 99% less material cost than noble-metal electrodes. Dr. Kyung-Soo Kang and Dr. Hyun-Jun Lee lead the work, published in Advanced Science. By the researchers' own price figures, nickel costs about $0.02 per gram and cobalt about $0.05, against roughly $58 for platinum and $54 for ruthenium.
Dans un laboratoire coréen, une feuille de nickel et de cobalt fait un travail que le platine assure depuis des décennies. L'électrode décompose l'eau en hydrogène et en oxygène, et l'équipe de l'Institut coréen de recherche sur l'énergie (KIER) affirme qu'elle le fait avec 99 % de coût matériel en moins que les électrodes à métaux nobles. Le Dr Kyung-Soo Kang et le Dr Hyun-Jun Lee dirigent ces travaux, publiés dans Advanced Science. Selon les prix avancés par les chercheurs, le nickel coûte environ 0,02 $ le gramme et le cobalt environ 0,05 $, contre près de 58 $ pour le platine et 54 $ pour le ruthénium.
The problem being solved is slow chemistry. Alkaline electrolysis is the variant best suited to large plants because its equipment is comparatively cheap. But water splits more than 100 times more slowly under alkaline conditions than in acidic ones, so the reaction needs a catalyst. Platinum and ruthenium supply that speed, and their price is what has kept the process from scaling. KIER's answer is an electrode built from two layers of activity on one surface: nickel oxide, which speeds the breaking of water molecules, and a nickel-cobalt alloy, which helps the hydrogen form. The step that limits the whole reaction is water splitting, and the oxide targets that step directly.
Le problème à résoudre tient à la lenteur de la réaction chimique. L'électrolyse alcaline est la variante la mieux adaptée aux grandes installations, car son équipement est relativement bon marché. Mais en milieu alcalin, l'eau se dissocie plus de 100 fois plus lentement qu'en milieu acide, si bien que la réaction a besoin d'un catalyseur. Le platine et le ruthénium apportent cette rapidité, et leur prix est ce qui a empêché le procédé de passer à grande échelle. La réponse du KIER est une électrode qui combine deux couches actives sur une même surface : de l'oxyde de nickel, qui accélère la rupture des molécules d'eau, et un alliage nickel-cobalt, qui favorise la formation de l'hydrogène. L'étape qui limite l'ensemble de la réaction est la dissociation de l'eau, et l'oxyde cible directement cette étape.
The numbers are measured on the team's own equipment. The electrode delivers hydrogen output equal to a conventional platinum electrode at roughly 40% of the overpotential, the extra voltage a reaction needs beyond its theoretical minimum. The team says this places it among the best non-noble alkaline electrodes reported over the past three years. In an 8.7-centimetre unit cell, cell voltage was 11% lower than a cell with a conventional nickel electrode. After 600 start-stop cycles, performance stayed stable, a test meant to mimic a plant that runs on intermittent wind or solar power.
Les chiffres sont mesurés sur le matériel de l'équipe. L'électrode produit un débit d'hydrogène équivalent à celui d'une électrode classique au platine, avec environ 40 % de la surtension, c'est-à-dire la tension supplémentaire qu'une réaction exige au-delà de son minimum théorique. Selon l'équipe, cela la place parmi les meilleures électrodes alcalines sans métal noble publiées au cours des trois dernières années. Dans une cellule unitaire de 8,7 centimètres, la tension de cellule était inférieure de 11 % à celle d'une cellule à électrode de nickel classique. Après 600 cycles de démarrage-arrêt, les performances sont restées stables, un test destiné à reproduire une installation alimentée par une production éolienne ou solaire intermittente.
For a reader, the point is what this could change in the price of green hydrogen. The team says the technology could let South Korea source the core materials of alkaline electrolysis at home, since the sector has relied heavily on imports, and could lower production costs. Lee says the team has fabricated 40-centimetre electrodes and is optimizing the process for commercial mass production, with a next target of 5,000 cm² for megawatt-scale systems. The publication gives no dates for that step, and the figures so far come from the laboratory. A cell in a lab is not a plant running for years, and a 99% cut in material cost does not by itself mean a 99% cut in what the hydrogen costs to make. Those are the tests that still lie ahead.
Pour le lecteur, l'enjeu est ce que cela pourrait changer au prix de l'hydrogène vert. Selon l'équipe, la technologie pourrait permettre à la Corée du Sud de s'approvisionner sur son sol en matériaux essentiels à l'électrolyse alcaline, un secteur qui dépend largement des importations, et de réduire les coûts de production. Lee indique que l'équipe a fabriqué des électrodes de 40 centimètres et optimise le procédé en vue d'une production de masse commerciale, avec pour prochain objectif 5 000 cm² pour des systèmes de l'ordre du mégawatt. La publication ne donne aucune date pour cette étape, et les chiffres obtenus à ce jour proviennent du laboratoire. Une cellule de laboratoire n'est pas une installation qui fonctionne pendant des années, et une baisse de 99 % du coût des matériaux ne signifie pas à elle seule une baisse de 99 % du coût de production de l'hydrogène. Ce sont ces essais qui restent à venir.