Vers de nouveaux matériaux pour la production d’hydrogène

Le partenariat annoncé en juin dernier entre le LIST et la société française 3D-Oxides se concrétise. Le futur laboratoire commun vient d’ouvrir avec un premier instrument installé et un second projet signé mercredi lors d’une conférence de presse à Belvaux.

L’objectif de toutes les recherches sur l’hydrogène menées dans le cadre du partenariat entre le LIST et 3D-Oxides est de rendre le fractionnement de l’eau plus facile, plus efficace et plus abordable, tout en respectant l’environnement.

Collaboration entre 3D-Oxide et le LIST

Après une introduction par le directeur du département Recherche et Technologie des Matériaux du LIST, Damien Lenoble, une présentation a été faite de la nouvelle collaboration du LIST avec la société française 3D-Oxides qui développe des matériaux fonctionnels aux propriétés extraordinaires. Bien que le partenariat ait réellement débuté en juin 2020, c’était la première fois que le président de la société, Christian Petit, et le directeur de la technologie, Giacomo Benvenuti, étaient présents aux côtés du directeur général du LIST, Thomas Kallstenius, pour expliquer cette collaboration.

Avec la création d’un laboratoire commun entre le LIST et 3D-Oxide, deux projets sont en cours de recherche et de nouveaux équipements innovants sont installés.

Ce partenariat de quatre ans vise à mener un programme de recherche axé sur l’énergie, et en particulier sur le développement de nouveaux matériaux pour l’industrie de l’hydrogène, nécessaires à la création de carburant pour batteries à faible teneur en catalyseur, au développement d’électrolyseurs de nouvelle génération ou de systèmes de photolyse à haute performance.

L’objectif ultime de cette recherche conjointe est l’accélération de la découverte de nouveaux matériaux adaptés aux défis de la production d’hydrogène et au-delà.

Démonstration du nouvel équipement « Sybilla »

Giacomo Benvenuti a fait une présentation et une démonstration du nouvel équipement appelé « Sybilla 450 », récemment installé au LIST dans le nouveau laboratoire commun. 3D-Oxides est très expérimenté dans les procédés connus sous le nom de CBVD (Chemical Beam Vapor Deposition). Cette technologie de dépôt de couches minces, qui permet de traiter plusieurs matériaux en même temps grâce à une approche combinée, représente une manière innovante de déposer des matériaux dans des conditions plus douces, bien contrôlées et en une seule étape.

Sybilla 450 est une machine unique qui peut traiter des substrats d’un diamètre allant jusqu’à 450 mm, une taille substantielle permettant de générer des photo-électrodes en grand nombre ou de taille suffisante pour des tests d’utilisation pertinents. Le LIST apportera son expertise dans la synthèse de matériaux fonctionnels en couches minces, dans la caractérisation de ces matériaux et dans le prototypage de dispositifs fonctionnels.

Nouveau projet STONB et signature du contrat

Un processus totalement nouveau et innovant ainsi qu’une signature de contrat en direct pour le projet commun ont eu lieu devant la presse pour cette recherche en collaboration entre le directeur général du LIST, Thomas Kallstenius, et le président de 3D-Oxide, Christian Petit.

Ce nouveau projet est connu sous le nom de STONB (Strontium Titanate Oxide with Narrow Bandgap). Il sera dirigé par le D^r Emanuele Barborini. Il est basé sur l’observation que, bien qu’à court et moyen terme, l’économie de l’hydrogène puisse être initiée par les combustibles fossiles (par exemple par le reformage à la vapeur ou la gazéification du charbon), sa durabilité à long terme dépend d’autres précurseurs ainsi que des processus de production basés sur les énergies renouvelables. À cet égard, la division de l’eau par photo-électrochimie (PEC) au moyen de photons solaires, un processus dans lequel l’énergie solaire est capturée par la surface de matériaux spéciaux et exploitée pour briser les molécules d’eau de l’hydrogène et de l’oxygène, est la « solution parfaite » largement mise en avant mais pas encore atteinte.

Parmi les matériaux envisagés pour la séparation photo-électrochimique de l’eau (PEC), le titanate de strontium (STO) est particulièrement intéressant grâce à ses propriétés physico-chimiques, et fera l’objet de recherches dans le cadre de ce nouveau projet commun.
Pouvoir produire facilement de l’hydrogène, grâce à un procédé efficace et rentable basé sur l’eau et les photons solaires, permettrait de réduire considérablement l’empreinte carbone de l’humanité et de résoudre le problème actuel de stockage excessif des énergies renouvelables, que le projet STONB s’efforce maintenant de résoudre.

Le projet HEPHOTO

STONB est le deuxième projet résultant du partenariat. Le premier déjà lancé est HEPHOTO. Ce projet, dirigé par le D^r Bianca Rita Pistillo et soutenu par le Fonds national de la recherche via le programme Bridges, vise à développer un matériau fonctionnel utilisé dans les processus photo-électro-catalytiques pour séparer l’hydrogène et l’oxygène. Cette approche permettra d’obtenir, en une seule étape, des photo-électrodes très efficaces permettant de fractionner l’eau.

Les deux projets ont reçu un financement du Fonds national de la recherche (FNR) de Luxembourg

Soutien de projets par d’autres équipes du LIST

Les recherches collaboratives du LIST sur les nouveaux projets relatifs à l’hydrogène ont été soutenues par des équipes d’experts complémentaires :

• Marc Michel, du département Recherche et Technologie des Matériaux de LIST, dirige une équipe spécialisée et expérimentée dans le domaine de la recherche sur les piles à combustible.
• Nicolas Boscher est un expert en instrumentation scientifique et en technologie des procédés. Il se concentre sur une nouvelle catégorie de développement de matériaux pour la production propre et efficace d’hydrogène à partir du « fractionnement solaire de l’eau » (subvention ERC Consolidator du Conseil européen de la recherche – projet CLEANH2 intitulé « Chemical Engineering of Fused MetalloPorphyrins Thin Films for the Clean Production of Hydrogen »).