Les électrolyseurs industriels consomment entre 50 à 60 kWh pour produire 1 kilo d’hydrogène pour une  limite théorique proche de 39 kWh/kg. En surmontant une partie importante des limitations au contact électrodes-eau des gains énergétiques de l’ordre de 10 à 20 % représenterait potentiellement une réduction du même ordre coût de production de l’hydrogène vert.

Enviscope: Comment quantifier les effets, les pertes de rendement dues aux techniques actuelles ?

Arsène  Chemin :  Cette découverte ne change pas directement les rendements actuels. Elle met en lumière un phénomène interfacial qui impacte les performances électrochimiques et qui était jusqu’à présent soit ignoré, soit mal compris, y compris dans les technologies actuelles. L’enjeu est donc surtout de mettre en pratique cette connaissance fondamentales des électrodes afin de pouvoir concevoir de nouveaux matériaux et de nouvelles stratégies capables de contourner cet effet et d’améliorer les rendements avec des matériaux communs et peu chers.

Enviscope: Comment quantifier les gains possibles, et dans quels espaces de temps ?

Arsène  Chemin : Les gains potentiels sont considérables, car l’énergie électrique nécessaire pour produire 1 kg d’hydrogène dépend directement de la tension appliquée à l’électrolyseur. Aujourd’hui, une part importante des pertes provient des surtensions aux interfaces électrode-électrolyte. Réduire ces surtensions permet donc de diminuer directement le coût de production de l’hydrogène, dont l’électricité constitue le principal poste de dépense.

Notre travail suggère qu’une partie de ces pertes est liée au potentiel de Helmholtz et plus largement à l’environnement électrostatique de l’interface, et pas uniquement à la catalyse chimique elle-même. Cela ouvre la possibilité non seulement d’améliorer les électrodes actuelles, mais aussi de rapprocher les électrolyseurs de leur limite thermodynamique idéale.

En pratique, les électrolyseurs industriels consomment aujourd’hui environ 50 à 60 kWh pour produire 1 kg d’hydrogène, contre une limite théorique proche de 39 kWh/kg. Si une partie importante des limitations interfaciaux pouvait être surmontée, des gains énergétiques de l’ordre de 10 à 20 % pourraient devenir envisageables, ce qui représenterait potentiellement une diminution similaire du coût de production de l’hydrogène vert.

À l’heure actuelle, le platine reste le matériau le plus performant et proche de cette limite pour la production d’hydrogène, mais son coût et sa rareté empêchent son déploiement massif. L’enjeu est donc de développer des matériaux plus abondants capables d’atteindre des performances comparables ou meilleur grâce à une meilleure maîtrise des phénomènes interfaciaux.

Enviscope: Dans quelles directions les recherches sur les électrodes doivent-elles être orientées ? Où en sont les travaux sur ce point ?
Arsène  Chemin : Les recherches sur les électrodes ne doivent plus seulement viser à optimiser la catalyse au sens classique, c’est-à-dire faciliter les réactions chimiques à la surface de l’électrode. Elles doivent aussi chercher à optimiser l’environnement électrostatique de l’interface et à minimiser le potentiel de Helmholtz.
Un matériau peut sembler excellent du point de vue de sa chimie de surface, mais se révéler peu performant à cause des effets interfaciaux que nous mettons en évidence.
Ce phénomène avait déjà été évoqué par l’électrochimiste soviétique Alexander Frumkin dans les années 1930. Mais à l’époque, il était impossible de le quantifier correctement faute d’une compréhension suffisamment fine des interfaces électrochimiques. Ces idées sont donc restées relativement marginales.
Aujourd’hui, une grande partie de la communauté scientifique se concentre surtout sur l’aspect catalytique via des calculs de chimie quantique, sans réellement prendre en compte le potentiel électrochimique interfacial comme nous le faisons ici.
Certaines recherches observent déjà des effets liés à la structuration de l’eau à l’interface, à la « rigidité » de cette couche interfaciale ou encore à des limitations cinétiques induites par la couche de Helmholtz. Des stratégies commencent aussi à émerger pour « délocaliser » la réaction chimique au-delà de cette couche.
Notre contribution est d’avoir proposé une formalisation théorique et une quantification claire de ces effets. Cela fournit une base solide pour développer de nouvelles stratégies de conception d’électrodes, comme celles proposées dans notre article.
Enviscope: Quel calendrier imaginer ?
Arsène  Chemin : Les avancées pourraient être relativement rapides, car la communauté internationale travaillant sur l’hydrogène et l’électrochimie est très importante, tout comme les investissements industriels liés à la transition énergétique.
Cependant, le problème reste extrêmement complexe. Nous avons mis en évidence un phénomène fondamental important se produisant à l’interface électrode-électrolyte, mais de nombreux autres paramètres interviennent également dans les performances réelles des systèmes électrochimiques.
L’objectif est donc maintenant de diffuser largement cette compréhension des interfaces afin que les chercheurs puissent s’en saisir pour concevoir de nouveaux matériaux. L’intelligence artificielle pourrait d’ailleurs jouer un rôle important, car notre modèle relie ces phénomènes à des propriétés bien connues des matériaux et électrolytes (Work function, pH, etc…), ce qui ouvre la voie à des approches de découverte assistée par IA (permettant leur entraînement sur des large banques de données).

Enviscope: Quels liens avec quels acteurs ?
Arsène  Chemin : Notre travail possède à la fois une portée fondamentale et des implications appliquées très concrètes. D’un côté, il apporte des éléments théoriques importants pour la compréhension des interfaces électrochimiques dans le monde académique. De l’autre, il fournit des pistes directement exploitables pour le développement de nouvelles électrodes, aussi bien dans les laboratoires de recherche publique que dans les centres de R&D industriels travaillant sur l’hydrogène, l’électrolyse ou plus largement les technologies électrochimiques.

Enviscope remercie Arsène Chemin  d’avoir répondu par écrit aux questions ont été posées par écrit par Michel Deprost. redaction@enviscope.com