Produire une énergie plus propre ne suffit pas : encore faut-il savoir la conserver et la restituer efficacement. Les technologies à hydrogène reposent sur des réactions chimiques qui se déroulent à l’échelle des atomes. En modifiant finement la surface des électrodes, les chercheurs cherchent à accélérer ces réactions et à améliorer les performances de ces systèmes.

Chaque jour, nous utilisons de l’électricité sans vraiment y penser. Allumer une lumière, charger un téléphone, lancer une recherche sur Internet ou utiliser une intelligence artificielle : tous ces gestes reposent sur une énergie disponible en permanence. Pourtant, produire cette électricité repose encore largement sur l’utilisation de combustibles fossiles, dont les réserves mondiales s’amenuisent d’année en année. Le véritable défi est désormais de produire une électricité plus respectueuse de l’environnement et plus facilement stockable.

Avec le développement des énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien, la production d’électricité devient dépendante de la météo. Le soleil ne brille pas toujours et le vent ne souffle pas en continu. Pour garantir un approvisionnement stable, il devient indispensable de conserver l’énergie produite lorsqu’elle est abondante afin de la restituer plus tard, lorsque la demande augmente.

L’hydrogène, une solution prometteuse

Parmi les solutions envisagées, l’hydrogène suscite un intérêt croissant. Cette molécule peut être produite à partir d’eau grâce à l’électricité, puis stockée sous forme de gaz avant d’être utilisée pour produire à nouveau de l’électricité. Lorsque cette électricité provient d’énergies renouvelables, ce cycle ne génère presque pas d’émissions de dioxyde de carbone, uniquement de l’eau.

Certaines technologies, appelées systèmes à oxydes solides, permettent de produire ou d’utiliser l’hydrogène avec un bon rendement (jusqu’à 90 % pour les meilleurs systèmes). Leur principal inconvénient est qu’elles fonctionnent à très haute température, souvent entre 600 et 1000 °C. Réduire cette température constitue aujourd’hui un enjeu majeur pour améliorer leur efficacité et limiter leurs coûts.

Pour y parvenir, les chercheurs s’intéressent particulièrement aux matériaux qui composent ces systèmes.

Des matériaux au cœur du système

Un exemple de ces dispositifs à oxydes solides est présenté sur la Figure 1. Ils sont constitués de plusieurs couches de matériaux, chacune jouant un rôle précis. Les électrodes (cathodes et anodes), situées de part et d’autre du système, sont particulièrement importantes car elles permettent les réactions chimiques nécessaires à la production ou à l’utilisation de l’hydrogène. Elles assurent le transport des espèces chimiques vers l’électrolyte (la couche au centre) ou vers l’atmosphère gazeuse pour réagir.

Ces espèces sont soit les électrons, qui sont des particules chargées négativement dont le déplacement crée l’électricité, soit les ions oxydes O²⁻, issus de la réaction d’échange d’oxygène à la surface des électrodes. Ces ions sont nécessaires pour réagir avec l’hydrogène et produire des électrons dans une pile à combustible, par exemple.

Pour qu’un système utilisant l’hydrogène fonctionne de manière optimale, il faut donc que l’électrolyte permette un bon transport des ions et que les électrodes assurent un bon transport des électrons ainsi que des ions formés à leur surface, notamment les ions oxydes obtenus par la réaction d’échange d’oxygène à la surface de la cathode (dans le cas d’une pile à combustible) et de l’anode (dans le cas d’un électrolyseur). La capacité de transport des matériaux constituant les différentes couches est donc primordiale, tout comme la vitesse à laquelle les réactions de surface ont lieu. En effet, si la réaction de surface est trop lente, il n’y a pas assez d’ions et d’électrons à transporter. Pourtant, certains mécanismes restent encore mal compris et limitent l’efficacité de ces technologies.

Pour mieux comprendre ces réactions et tenter de les améliorer, les chercheurs explorent différentes stratégies. L’une d’elles consiste à modifier uniquement la surface des matériaux d’électrode, là où les réactions ont lieu. Cette technique, appelée infiltration, consiste à déposer de très petites quantités d’un autre matériau à la surface de l’électrode.

Cette approche permet de modifier certaines propriétés chimiques sans altérer la structure globale du matériau. En sélectionnant soigneusement les matériaux infiltrés, il devient possible d’ajuster finement les propriétés des électrodes et d’observer leurs effets sur les performances du système.

Comprendre le rôle des propriétés rédox

Dans le cadre de ma thèse, j’ai étudié comment ces modifications de surface influencent la vitesse de la réaction d’échange d’oxygène. Nous avons utilisé un matériau d’électrode connu comme support, sur lequel nous avons déposé différents matériaux. Ceux-ci permettent alors d’ajuster la capacité d’un matériau à échanger des électrons lors d’une réaction chimique, sans perturber d’autres propriétés importantes du système, comme la capacité à échanger des ions.

Les matériaux déposés sont appelés des oxydes, des composés constitués d’oxygène et d’un autre élément, et plus spécifiquement des spinelles. Ce sont des oxydes de formule AB₂O₄, où A et B sont des éléments, généralement des métaux comme le fer, le cobalt ou l’aluminium.

Cette stratégie permet ainsi d’étudier précisément l’impact des échanges d’électrons sur la vitesse de réaction de l’oxygène et sur les performances des matériaux d’électrode.

Des résultats encourageants

Au cours de ces travaux, nous avons observé qu’en infiltrant des spinelles, il était possible de modifier les capacités d’échange d’ions et d’électrons des matériaux d’électrode et d’ajuster l’énergie nécessaire pour déclencher les réactions chimiques. Plus cette énergie est faible, plus la réaction se produit rapidement, ce qui améliore les performances du dispositif.

Ces résultats suggèrent que la chimie de surface joue un rôle déterminant dans le fonctionnement de ces technologies. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer ces observations, mais des recherches supplémentaires seront nécessaires pour confirmer ces mécanismes. Dans un premier cas, nous avons supposé que le matériau déposé modifie la surface du matériau support et impacte ainsi sa vitesse de réaction en surface. Dans un second cas, nous avons proposé que le matériau support modifie les propriétés du matériau infiltré, favorisant certaines étapes de la réaction d’échange d’oxygène. Dans les deux cas, des expériences supplémentaires sont nécessaires pour aboutir à une conclusion claire.

Perspectives pour les technologies de stockage de l’énergie

Les technologies reposant sur l’hydrogène représentent une piste majeure pour relever les défis énergétiques actuels. Pourtant, leur développement dépend encore de phénomènes complexes qui se produisent à une échelle invisible à l’œil nu. Comprendre comment ces réactions se déroulent et comment les matériaux influencent leur efficacité constitue une étape essentielle pour améliorer ces dispositifs.

Les travaux menés dans cette thèse ont montré qu’il est possible d’ajuster finement certaines propriétés chimiques des matériaux afin d’en améliorer les performances. Ces avancées participent à une dynamique plus large visant à rendre les systèmes énergétiques plus efficaces, plus durables et plus accessibles, notamment en favorisant l’utilisation de matériaux moins coûteux que ceux utilisés aujourd’hui.

La transition énergétique repose sur de nombreuses innovations, parfois discrètes, qui se construisent progressivement grâce à la recherche fondamentale. Derrière chaque progrès technologique se cachent des années d’exploration scientifique, où comprendre le comportement de quelques atomes peut contribuer à transformer la manière dont nous produisons et utilisons l’énergie.

Article rédigé par Simon Guillonneau, Docteur en chimie inorganique, au sein de l’institut des matériaux de Nantes (IMN), sous la direction de Olivier Joubert et Clément Nicollet. Les années de thèses ont été cofinancées par une allocation doctorale de la Région Pays de la Loire et Nantes Université.