Des électrodes à base d’alliage nickel-fer pour l’électrolyse de l’eau

La production d’hydrogène à grande échelle par électrolyse de l’eau exige une importante disponibilité des matériaux constituant l’anode et la cathode de l’électrolyseur. L’électrolyse alcaline, contrairement aux technologies acides, permet de considérer l’utilisation de catalyseurs dérivés des métaux de transition qui sont relativement accessibles et abondants. Cette thématique est au cœur du projet DAEMONHYC qui se concentre sur le développement d’un électrolyseur à membrane anionique performant et durable. Dans ce contexte, il a été proposé d’utiliser en guise d’anode, pour le dégagement d’oxygène, des électrodes à base d’acier inoxydable. En effet, la grande disponibilité des principaux éléments le constituant (le fer, le nickel et le chrome) ainsi que leurs méthodes de production simples et maîtrisées rendent ces matériaux particulièrement attractifs pour une telle application.

Un procédé électrochimique simple en vue d’améliorer les performances des électrodes pour le dégagement d’oxygène

Mais l’intérêt des aciers inoxydables pour réaliser le dégagement d’oxygène réside surtout dans leur capacité à devenir de plus en plus performants au cours de leur utilisation. En effet, si des modulations de potentiel sont appliquées à cette électrode en deçà/au-dessus du potentiel de formation des oxydes, une réorganisation locale et progressive des atomes constituant l’acier va mener à la formation d’une couche catalytique de surface très active et efficace pour l’électrolyse de l’eau. Pour comprendre ce phénomène, une vaste étude présentée dans la revue Nature Materials[1] s’intéresse plus largement à l’utilisation de différents alliages à base de nickel et de fer pour le dégagement d’oxygène. Pour tous les alliages considérés, la couche catalytique formée suite aux variations initiales de potentiel en électrolyte alcalin était principalement constituée d’oxydes de nickel et de fer, avec un ratio directement corrélé à la composition initiale de l’alliage.

Des alliages initialement différents pour des performances finales similaires

Le point crucial de l’étude est qu’une utilisation prolongée de tels alliages pour le dégagement de l’oxygène en milieu alcalin va engendrer une modification conséquente de la composition de la couche d’oxydes formés. En particulier, tous les alliages vont tendre vers une même composition de surface en fer et en nickel (cf. figure 1). C’est par ailleurs pour ce ratio entre les atomes de fer et de nickel que des performances maximales pour le dégagement d’oxygène sont atteintes. Il apparaît alors que la composition initiale de l’alliage (et les modes de préparation des matériaux) ont peu d’influence sur les performances finales de l’électrode et, par conséquent, qu’une vaste gamme d’alliages nickel-fer peut être utilisée en tant qu’anode durable et efficace pour l’électrolyse alcaline.

[1 ] https://doi.org/10.1038/s41563-023-01744-5

Garance Cossard (LEPMI) / Doctorante
Gwenaëlle Kéranguéven (ICPEES),Eric Sibert, Marian Chatenet (LEPMI) / Encadrants